地学
グローバルな気候の変化 (1)
リンク先の大部分は、
[気候システム論教材]、
「用語補足」は
個人ブログの記事で、
おもに記事カテゴリー「気象むらの方言」と「バベルの塔の職人長屋」に入れたものです。
【『自然地理学事典』(2017, 朝倉書店) {板倉図書館1階参考図書、電子ブックEBSCOにもある} [読書メモ]の
増田が分担執筆した項目 (とくに「B8」の番号がついている3つの項目が、
「グローバルな気候の変化」(1)と(2)の論点とだいたい同じです。)
グローバルな気候の変化 と ローカルな気候の変化
人が直接体験するのはローカルな気候である。
観測もたいていはローカルなものであり、
グローバルな量、たとえば「世界平均地表温度」は、
多数のそれぞれローカルな観測を集めて推計されたものである。
人間社会が気候に適応するのも、ローカルな気候への適応であることが多い。
しかし、物理法則にもとづく理解や、将来の見通しをもつことについては、
グローバルな気候のほうが相対的にはあつかいやすく、ローカルな気候はむずかしい。
グローバルな気候の変化の原因としては、
気候システム全体のエネルギー収支を変化させる作用を考えればよいだろう
(それ以外の原因がないといいきれるわけではないが)。
ローカルな気候の変化の原因としては、エネルギー収支の変化による原因にかぎっても、
さらにつぎのものを考える必要がある。
- ローカルな原因(たとえばローカルな熱源)がありうる。
- [注] 人間の産業活動からの廃熱は、
全地球で平均して面積あたりにすれば小さいことは、
[気候システム全体の(0次元)エネルギー収支]のページの
「下側の境界での出入りを無視すること」のところでのべた。
しかし、大都市や発電所などのある地域のローカルには重要である。
『図表』 5章 206ページ 「地球環境の変化 (1)」[2]「ヒートアイランド」は、
都市にともなう気候の特徴の例であり、
その原因として、ローカルなエネルギー収支を変える要因が複数あげられている。
- 気候システム全体のエネルギーが変化しなくても、エネルギーの地域間の再配分の変化はありうる。
- [注] たとえば、日本で寒い冬が、アラスカでは暖かい冬であることがたびたびあるが、
このばあい、日本の上の大気のエネルギーがへり、アラスカの上の大気のエネルギーがふえて、
合計は平常どおり、ということがおきているだろう。
気候システム全体のエネルギー収支を変える要因
ここでは、グローバルな気候の変化をあつかい、
その原因として、気候システムのエネルギーの総量を変化させる要因を考えることにする。
それは、エネルギーの収入である太陽放射の吸収か、支出である地球放射の射出か、を変える要因である。
放射を変化させる要因には、気候システム外からのものと、気候システム内のものがある。
気候システム外からあたえられる要因が変動すると、気候システムは強制作用をうけることになる。
気候システム内部の変量であり、温度にともなって変動するものは、温度の変動に対して、フィードバックとしてきく。
太陽放射の吸収を変える
太陽放射の吸収量を変える要因としては次のものがある。
- 太陽が出す放射エネルギー量の変動。(過去約40年の経験では、それ自体の千分の1程度。)
- 太陽・地球間で放射を吸収する物質量の変動。(まったくわからない。たぶん重要ではないと思われる。)
- 太陽と地球の幾何学的関係の変動。
(日周期、年周期のほかに、1万年から10万年のけたの周期の変動が知られており、
地球に達する太陽放射の総量の変動は小さいが、緯度別・季節別の変動は重要。
『図表』 3章 160ページ「過去の気候変動」[D]「ミランコビッチサイクル」はこの話題。)
- 太陽放射を吸収するわりあいの変動 (逆に反射するわりあい(=「アルベド」)で示すことが多い。)
- (用語補足) [アルベド (albedo)]
- 地表面
- 雪氷 ... 低温のとき存在し、土壌・植生・水面よりもアルベドが大きい。正のフィードバックになる。
- 土地被覆 (森林・草原・裸地など) ... 外因と考えられる。
- 雲・エーロゾル (大気中にただよう液体・固体の微粒子) [ここではひとまず太陽放射に関する効果だけのべる。]
- 雲 ... 気候システム内部の変量である。
雲量(雲におおわれた面積比)がふえると、
太陽放射に対しては、反射をふやすので、気候を寒冷化させる向きに働く。
ただし、温度が上がると(雲の質量はふえると思われるが)雲量がふえるかどうかまだ不明なので、
正・負のどちらのフィードバックにきくかわからない。
- エーロゾル ... 気候システムにとっては外因と考えられる。
物質によって、太陽放射の吸収が大きいもの(黒いエーロゾル)、散乱が大きいもの(白いエーロゾル)がある。
硫酸液滴は散乱が大きく、それがふえると地球のアルベドがふえる。
火山噴火でSO2が成層圏まで上がると、硫酸液滴が2年くらい成層圏にとどまり、
気候を寒冷化させる向きに働く。
人間活動起源のエーロゾルのうちでも、
化石燃料起源の硫酸液滴は、気候を寒冷化させる向きに働いている。
地球放射を変える ... 温室効果
地球放射に対する効果は、いわゆる温室効果である。
これは、赤外放射を吸収し射出する物質(温室効果物質)が多いと、
仮に地表面温度が同じとすれば、出ていく地球放射が小さくなる、という構造になっている。
いわば、「ふろおけモデル」の水の出口がつまりぎみになったことにあたる。
(これについては、鉛直1次元モデルによる温室効果の定量的評価のあとで、また論じる。)
なお、放射を吸収する物質は同じ波長の放射を射出する物質でもあり、
吸収率は射出率(実際に射出する放射の黒体放射に対する比)にひとしい。
温室効果物質には次のものがある。
- 気体成分(「温室効果気体」)。
1原子分子や同じ原子からなる2原子分子は、地球放射の振動数帯に固有振動モードをもたないので、
吸収・射出にきかない。(非対称な2原子分子も働くが、おもに) 3原子以上の分子が働く。
- H2O (水蒸気) ... 温度が高いほど海から供給されるので、正のフィードバックとなる。
- O3 (オゾン) ... (温度依存ではないが気候システム内部変量)
- CO2 (二酸化炭素、「炭酸ガス」)、CH4 (メタン)、N2O (一酸化二窒素、「亜酸化窒素」「笑気」とも)
- (窒素酸化物のうち大気汚染物質としては重要な NO2、NOを省略したのは大気中での寿命が短いからである。)
- クロロフルオロカーボン(通称フロン)そのほかのハロカーボン類
- 雲・エーロゾル。
水滴や大部分のエーロゾル物質は、地球放射の波長帯では、ほぼ黒体。
ただし、放射が粒子にぶつかるかどうかは粒径と粒子数密度による。
- 雲量がふえると、地球放射については、雲の温室効果によって、気候を温暖化させる向きに働く。
大気中の温室効果物質がふえると、地球放射の吸収・射出の回数がふえることによって、
地表面温度(あるいは地上気温)が高くなる。
このしくみは、現実を単純化して、「太陽放射に対しては透明、地球放射に対しては黒体と同じ」の
「ガラス板モデル」でデモンストレーションすることができる。
ただし、この議論は準定常状態をたもちながらゆっくり変化することを想定している。
(放射吸収が飽和しても、温室効果が飽和するわけではない。)
温室効果気体濃度の増加
【[注意] この部分の話題は、地学の基礎的なことがらとしての、さまざまな時間スケールをもつ気候の変化から、
時間スケールが数十年から百年の、世界人類にとっての課題となっている、人間活動起源の気候変化
(いわゆる「地球温暖化」) にうつっている。】
- [注] IPCCとは、国連のもとに1988年につくられた「気候変動に関する政府間パネル」である。
それに関する話は別の回にする予定。
工業化(産業革命)以後、大気中の温室効果気体濃度はふえている。
【[補足] 濃度の数量表現について。ここでいう ppm は百万分の1、ppb は十億分の1である。
ただし、質量比ではなく、「体積比」である (volumeのvをつけてppmvのように書くこともある)。
これは、理想気体の近似を前提としていて、むしろ「分子数比」と考えたほうがよい。
たとえば、二酸化炭素濃度が 400 ppm とは、
空気の分子 百万個のうち400個がCO2であるということである。】
- 二酸化炭素濃度は、産業革命前は約280 ppm だった。(これは南極氷床の気泡の測定にもとづく。)
継続観測がはじまった1958年には約315 ppmだったが、現在は約400 ppmになっている。
おもな原因は石炭・石油・天然ガスなどの化石燃料の燃焼である。
化石燃料起源の二酸化炭素の約半分が大気中に残り、半分は海および陸(植生・土壌)に行っている。
- メタンも増加している。人間活動の影響があると推測され、
化石燃料の もれ のほか、水田、ダム湖の植物遺体分解などの原因が考えられるが、
原因分析は不確実である。
- N2O も増加している。
おもな要因のひとつとして、窒素肥料を与えられた土壌中で、
微生物による硝酸イオンからN2への「脱窒」反応から派生していると考えられる。
なお、窒素酸化物のうちN2Oだけをとりあげるのは、大気中での寿命が比較的長いからである。
温室効果気体濃度のこれまでの変化 (IPCC第5次評価報告書 第1作業部会の巻 (2013年) 付録2のデータから作図、
ただし 2011年以後は IPCC第6次評価報告書 第1作業部会の巻 (2021年) 付録3のデータによる)
気候システムの中のいろいろなフィードバック
世界平均の地表面温度または地上気温を代表変数として、
気候システムの中でおこるフィードバックを考えてみる。
[図] 気候システムの中のフィードバック
- (a) 地球放射射出。温度が高いほど出て行く地球放射が大きいから、負のフィードバックになる。
- (b) 水蒸気の温室効果。温度が高いほど海から水蒸気が供給され、温室効果を強めるので、正のフィードバックになる。
- (c) 雪氷のアルベド(太陽放射反射率)の効果。温度が高いほど雪氷に覆われた面積が小さくなり、気候システムの太陽放射吸収を強めるので、正のフィードバックになる。
- (d) 雲の効果。雲量(地表面積のうち雲で覆われた面積の割合)が大きくなると、太陽放射反射がふえるが、温室効果も強まる。
(現在の雲の構成ならば、太陽放射反射のほうが勝つと考えられている。)
温度が高くなると雲量がふえるかどうかは確かでない。
雲の質量はふえると予想されるが、鉛直にのびる積雲のわりあいがふえて、面積はむしろ減る可能性もある。
2020-11-22, 2021-12-06
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)