気候システム論

温室効果の基本

[*]をつけたリンク先のページは暫定かつ学内限定です。

参考書 (「地球温暖化」の話題を含む)

「気候システム論」全体の文献リスト参照: 岩田ほか(2007) 2章3(3)、7章1(2)、 Hartmann(1994)[3章, 9章, 12章], 小倉(1999)[5.5, 5.6, 10.2], ワート(2003)。浅野(2010) 大気放射学の基礎 [読書ノート]。 Petty (2006, 2008) A First Course in Atmospheric Radiation、ペティ (2019) 詳解大気放射学 [読書メモ]。地球電磁気・地球惑星圏学会 (2010) 太陽地球系科学 [読書メモ]8章。

とくに温室効果・温暖化に関係する文献は別ページへ。 IPCC報告書やその解説書の中にも温室効果の初歩的説明を含むものが多い。

大気中の何が放射吸収・射出の働きをするのか?

太陽放射の波長域の放射吸収に働く物質
- オゾン(O₃)とその光化学反応に関する物質 ... 成層圏で紫外線の波長帯の大部分を吸収
- (他の気体成分の働きは比較的小さい)
- 雲
- エーロゾル (aerosols, 雲以外のさまざまな固体・液体の微粒子) [「エーロゾル」という形はドイツ語に由来。英語読みは「エアロソル」]
地球放射の波長域の放射吸収・射出に働く物質 ... 「温室効果物質」
- 気体分子
  - [*]Petty (2019)の図9.2 大気成分の分子の構造と、静電双極子モーメントをもつかどうか。
  - [*]Petty (2019)の図9.4 大気成分の分子の振動モード。【[2019-11-18 授業後] リンクさき訂正しました。】
  - 対称な2原子分子の窒素・酸素、1原子分子のアルゴンはほとんど働かない
  - (非対称な2原子分子、たとえば一酸化炭素(CO)は少し働く)
  - 3原子以上の分子の気体成分
    - 水蒸気 (H₂O)
    - 二酸化炭素 (CO₂)
    - オゾン (O₃)
    - メタン (CH₄)
    - 一酸化二窒素 (N₂O)
    - フロン (人工物、CCl₃Fなど)
  - 分子間衝突(圧力)などによる吸収線の広がり [*]Petty (2019)の図9.6 波長に対する吸収率の分布の模式図
- 雲
- エーロゾル

大気による地球放射の吸収の波長依存性

[*]Petty (2019)の図3.3 上は黒体放射。下は雲のない大気の吸収率、あらい波長分解能で見たもの。

[*]Petty (2019)の図7.6 雲やエーロゾルのない大気の透過率。中緯度の夏の天頂方向の大気柱。気体成分別と、全成分が共存する場合(Total)。

[*]『理科年表 2015』の「天21図」可視・赤外についての大気の光学的厚み。天頂方向の大気柱。

小倉(1999) 図5.10 (もとはGoody 1964), 増田・田辺(1994)の1.3.1節の図1参照

大気の温室効果 (簡単化した放射平衡の場合)

(1世紀の経験によってわかった)温室効果を理解するのに有益な観点

まず大気上端でのエネルギー収支(気候システム全体のエネルギーを変化させるもの)を考える。 (地表面での収支はあとで考える。こちらは放射だけでは決まらない。)
エネルギー収支のつりあった定常状態を考える。地球放射吸収物質の量の変化の効果を知るのにも、まず定常状態どうしの違いを見る。(時間変化をもつ応答はあとで考える。)

簡単なモデル

0次元、定常で考える。鉛直方向の構造として、大気と地表面を区別する。 (大気はまず1層の場合、それから多層の場合を考える。 0次元としているので大気層は厚さをもたず、質量が面に集中しているように考える。)

空気を理想的な「仮想ガラス」板で近似 (太陽放射には透明、地球放射には不透明)
地表面と仮想ガラス板の各層がそれぞれ一定温度で定常状態と仮定。したがって、それぞれのエネルギーの収支がつりあっている。
仮想ガラスは地球放射をすべて吸収し、同量の地球放射(この波長帯に関する限り黒体放射と同じ)を上下均等に射出する。

大気なし	仮想ガラス1枚	仮想ガラス2枚
		T₂ = T_e
	T₁ = T_e	T₁ = 2^(1/4) T_e
T_s = T_e	T_s = 2^(1/4) T_e	T_s = 3^(1/4) T_e

(T_s: 地表面温度、T_e: 有効放射温度)

モデルの変形

ここでは、「仮想ガラス」の吸収率(射出率に等しい)を太陽放射に対して0、地球放射に対して1と仮定したが、違う値をとらせることもできる。

岩田徹ほか(2007) 環境気象学入門の第2章3(3)節では、太陽放射に対する吸収率をα(値の例: 0.1)、地球放射に対する吸収率をβ(値の例: 0.8)とした場合を扱っている。
HARTMANN (1994) Global Physical Climatologyの3.8節では、太陽放射に対する吸収率を 0、地球放射に対する吸収率をεとした場合を扱っている。
小倉義光 (1999) 一般気象学(第2版)の5.5節では、太陽放射に対する吸収率を0.1、地球放射に対する吸収率を1とした場合を扱っている。 (ただし5.6節の多層の場合では太陽放射に対する吸収率を 0 としている。)

用語についての注意

ガラスの温室でもここで述べた効果が働いてはいるが、ガラスの温室の中の空気が暖かいおもな原因は、ガラスが空気の移動に伴う乱流熱輸送 (熱伝達論でいう「対流」)をさまたげることである。この意味で、「温室効果」はあまり適切な用語ではないが、慣用となってしまっているので、ここでも使う。
ここでいう「平衡」はエネルギー収支がつりあっている、つまり、定常であることをさす。熱力学用語でいう平衡 (つまり、エントロピーが発生しないこと)ではない。

地球大気の鉛直温度構造 (「地球の水と空気はどこにどれだけあるのか」の中へ)

大気の鉛直温度分布の理論計算 [Manabe and Strickler 1964年]

鉛直1次元「放射対流平衡モデル」

水平方向は全地球平均して考える。
鉛直は大気を細かく分ける(地表面は1つ)。
時間については定常状態を考える。 (実際には勝手な初期条件から時間発展計算し、定常に落ち着いたところを見る。)
この研究では、温度が変わっても水蒸気量は変わらないとした。水蒸気、CO₂、オゾンなどの量は観測の長期平均に基づいて一定値で与える。
鉛直温度勾配は高いところほど温度が低いのを正とした「温度減率」という形で表現する。温度減率が臨界値よりも大きい場合は、密度成層が対流に対して不安定なので対流が起き、その結果、温度減率は臨界値に落ち着くとする。このモデルでは、臨界値は 6.5 K/kmで一定とみなす。 (狭い意味の対流ならば、この臨界値は断熱温度減率に相当すると考えられるが、ここでの対流は大気のすべての運動を含むので数値はそれと違う可能性もある。)

結果

成層圏の気温は放射平衡(放射だけのエネルギーのつりあい)で説明される。
- 太陽放射吸収(主にオゾン) - 地球放射正味射出(主にCO₂) = 0
対流圏の気温は放射対流平衡(放射と対流をあわせたエネルギーのつりあい)で説明される。
- 太陽放射吸収(主に水蒸気) - 地球放射正味射出(主に水蒸気とCO₂) + 対流加熱(水蒸気凝結を含む) = 0
- 温度勾配は対流で決まる (このモデルでは対流圏の温度減率は 6.5 K /km)。
- (放射平衡では実際よりも鉛直温度勾配がきつくなりすぎる。)

CO₂濃度の気温への効果 [Manabe and Wetherald 1967年]

水蒸気量が気温に応じて変わる変化を、相対湿度一定 (つまり、水蒸気量は飽和水蒸気量に比例して変化する)という形で入れた。 [湿度、飽和水蒸気量などの説明]
CO₂濃度は一定値としたが、それをなんとおりか変えて計算した。

CO₂濃度が高いほど、成層圏の気温は低くなる。
CO₂濃度が高いほど、対流圏の気温および地表面温度は高くなる。 CO₂濃度を2倍にすると、約2 K高くなる。 (これ以前の研究では、大気を鉛直に細かく分けずに考えたため、 CO₂濃度を2倍にしたことによる地上気温の変化の見積もりはうまく定まらなかった。)
CO₂濃度を2倍にするごとに地上気温はほぼ同じ値だけ高くなる。つまり、地上気温(の基準値からの差)はCO₂濃度の対数にほぼ比例する。
相対湿度一定にすると、水蒸気量一定の場合に比べて、 CO₂濃度に対する感度は約2倍になる。水蒸気の温室効果が、温度に対して正のフィードバックになっている。
この研究では、雲の効果も、なんとおりかの雲を固定して与えることによって検討した。雲は太陽放射を反射する効果と温室効果の両方があり、対流圏上層の薄い雲(巻雲=けんうん)は温室効果が勝つが、その他の場合は太陽光反射の効果が勝つ。

放射対流平衡を前提とした温室効果の説明

【真鍋 (1985)の図をもとに、段階を追って図を分けてみた。また、流入流出のあるシステムで直観的にわかりやすいと思われる例として、底にあなのあいたふろおけ(出て行く流量は水位の関数だとする)との比較を追加した。ふろおけモデルについては[別ページ]参照。】

温室効果物質が多いと外から見た地球放射の射出源は高いところにずれる。

もし、太陽からくる放射も、大気を含む地球全体としての太陽放射反射率(惑星アルベド)も、変わらないとすれば、エネルギー収支のつりあうような有効放射温度 T_eも変わらない。ところが、気温が有効放射温度に一致する位置が高くなるので、地上気温は高くなる。

なお、もし、地上気温が高くなるにつれて、惑星アルベドが小さくなるならば、有効放射温度が高くなるので、地上気温はさらに高くなる。

参考文献 (別ページ)

2007-06-04; 更新 2015-05-26, 2019-11-14
増田耕一 (MASUDA Kooiti)

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