ここでは、地球全体をまとめて、エネルギー保存の法則に基づいて考えてみたい。 地球全体といっても、ここで考えるのは地球表層(気候システム)である。 地球表層には大気と水圏の全体を含むが、 陸をどれだけ含めるべきかの判断はむずかしい。 エネルギー収支の議論では、地面から、時間スケール1年では1 mの桁、 100年では10 mの桁、1万年では100 mの桁の深さまでを含めればよさそうだ。
地球表層を対象系(システム)として、 エネルギー保存の法則は、次のような形の式で表わす ことができる。
d(地球表層のエネルギー貯蔵量)/dt = 単位時間あたり流入 - 単位時間あたり流出
この式の各項は、本来、単位時間あたりのエネルギー(国際単位はJ/sつまりW)の次元をもつ。 しかし、人が直接観測可能な量との対応をつけやすくするため、 地球の表面積(地球の半径をrとすると4πr2)で割って、 単位時間あたり・単位面積あたりのエネルギー (これを「エネルギーフラックス密度」ともいう。国際単位はW / m2) の形で表わすことが多い。
エネルギー保存の法則により、 この系の中のエネルギーのエネルギーの時間変化は、 この系の境界を通じての正味のエネルギーの出入りに等しい。
地球表層と地球内部との間のエネルギーのやりとりが0でないことは、 火山・温泉を見れば明らかだが、地球全体で平均すれば、 「大気上端」での放射によるエネルギーの出入りそれぞれに比べて桁が落ちる。
【固体地球の表面(海の場合は海底)に出てくるエネルギー量 (単位面積・単位時間あたり)は、 地殻熱流量と呼ばれ、海陸を含む全地球平均で約0.1 W/m2である。 POLLACKほか (1993)は 0.087 W/m2という数値を示している (日本地熱学会ウェブサイト参照)。】
しかし、わずかな項であってもそれ自体は気候に関する情報を含んでおり、 それに注目した研究もされている(谷口編, 2010)。 なお、木星など太陽から遠い惑星や、地球形成初期の場合は、 エネルギー収支項としても無視できない。
地球表層の上限を「大気上端」と呼ぶ。 これを厳密に定義することはむずかしいが、 空気が非常に希薄である(密度が小さい)ところである。 したがって、そこでの熱伝導は無視できる。 また、物質の出入りも非常に小さく、それに伴うエネルギーの出入りも無視できる。 仕事によるエネルギーの出入りも(潮汐に関するものがあるが)小さい。 大気上端でのエネルギーのやりとりは、 電磁波によるもの(放射)だけとみてよい。 しかもそのうち温度の低い宇宙空間からくる電磁波は桁が小さいので無視できる。 収入として、太陽から受け取る電磁波(放射)、 支出として、地球が宇宙空間に出す電磁波を考えればよい。
https://grsj.gr.jp/archives/whatbook/chapter2.html
(2024年4月18日閲覧)