地学

温室効果の基本

『図表』では、第4章 177ページ [3 B]「温室効果」と 第5章 206ページ [1 A]「温室効果」に、簡単な模式的な説明があります。

そのほかの本への参照は、このページでは、「著者名『書名』」や「著者名 (発行年)」の形の 省略表現をつかいます。 くわしい情報は[本の紹介]のページを見てください。 今回あたらしく紹介する本は、そこに「(地学 1011)」と注記しておきます。

地球大気による太陽放射・地球放射の吸収と透過

地球大気は、太陽放射のうち紫外線の部分をほとんど吸収する。 この吸収するはたらきをしているのは、成層圏にあるオゾン (O3) である。 (オゾン分子の存在自体が、紫外線の吸収と複雑にかかわっている。) オゾンが紫外線を吸収することは、大気の成層圏にとってエネルギー収入になるが、 気候システムのエネルギー収支にとっての重みはあまり大きくない。 紫外線は地表面にはほとんどとどかない。

地球大気は、 太陽放射のうち可視と近赤外 [赤外線のうち可視に近い部分をこのようにいう] の部分については、第一近似としては透明とみなせる。

地球放射は、波長10 μm前後の赤外線を主としている。 そして、地球の大気は、この波長帯の赤外線を吸収・射出する物質を含んでいる。 地球大気は、地球放射の波長帯では、近似として透明とはいえない。 地表面から出た赤外線が宇宙空間にぬけていくこともあるにはあるが、 平均すれば1回ぐらい、大気につかまってしまうのだ。

ガラス板モデルによる温室効果の説明

ひとまず、大気中のどの成分が地球放射を吸収・射出しているかをたなあげにして、 「地球大気は太陽放射については透明だが、地球放射については不透明である」と 単純化してみる。 そして、 [気候システム全体の(0次元)エネルギー収支]のページで あつかった、0次元・定常のエネルギー収支による気候のとらえかたを、 少しだけ複雑にするが、なお、0次元・定常で考えてみる。

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層のばあいを考え、それから多層のばあいを考える。 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。 大気の放射吸収の性質を理想化して、大気は太陽放射に対しては透明、 地球放射に対しては完全に不透明(この波長帯に関する限り黒体と同じ)とする。 ふつうのガラス板も、太陽放射に対してはかなり透明、地球放射に対してはかなり不透明なので、 ここでは、大気を、理想化したガラス板のようなものでおきかえたことになる。 なお、地表面(海面・地面)は黒体とみなす。

glass_plates.png
[図] 温室効果を説明する簡単なモデル

この図は、地表面の単位面積あたり・単位時間あたりのエネルギーの流れの収支を書いたものである。 太陽放射のうち地球が反射するぶんは省略して、吸収するぶんだけを黒い矢印でしめしている。 地球放射を白い矢印でしめしている。

図の（a）は大気のない場合で、 [気候システム全体の(0次元)エネルギー収支]の 0次元・定常のエネルギー収支とページと同じ状況だ。 地表面温度 Ts が地球の有効放射温度とひとしい。

図の (b) は大気がガラス板1枚のばあいだ。 地表面は太陽放射と大気層からの下向き地球放射を吸収し、 地表面温度の黒体放射を上向きに射出する。 大気層は地表面からの上向き地球放射を吸収し、大気層の温度の黒体放射を上下に射出する。 定常を仮定するので、地表面にも大気層にもエネルギーのたまりの変化がない。 すると、大気層の温度が地球の有効放射温度に等しくなり、 地表面温度は（絶対温度で）その「2の4乗根」倍、つまり約1.2倍になる。

図の (c) は大気がガラス板2枚のばあいだ。 地表面温度は有効放射温度の「3の4乗根」倍になる。

このモデルでは、板の数をふやすと地表面温度をいくらでも高くできる。 板が n 枚ならば、地表面温度は有効放射温度の「(n+1)の4乗根」倍なのだ。 現実には、熱力学の制約からあきらかに、太陽の表面温度より高くなることはない。 そのまえに、地表面温度が高くなると、地球放射が波長が短いほうにずれてくるので、 太陽放射と地球放射の波長帯がかさならないという仮定がくずれてしまう。 しかし、金星の地表面温度は、大気がこのガラス板 約80枚に相当するとして説明できそうだ。

このようなモデルは、気象学の教科書や、気候システムの入門書にもよく出てくる。 小倉『一般気象学』 [(*) 表紙画像] では5.5-5.6節、 佐藤『基礎から学ぶ気象学』 [(*) 表紙画像] では図6-3のあたり、 安成『地球気候学』 [(*) 表紙画像] では1-3-4節、 渡部『絵でわかる地球温暖化』 [(*) 表紙画像] では図2.5のあたりである。

「温室効果」という表現は、 あきらかに、ここで考えたモデルが、ガラス板でかこまれた温室ににていることからきている。 しかし、実際の農業用の温室では、地球放射吸収・射出の効果がないわけではないが、 温室内の気温にいちばん影響するのは、壁が空気のうごきをさえぎることにより、 エネルギーの乱流輸送 (こまかい規模の流れにともなう輸送) が変わることである。 (たとえば、大政ほか『農業気象・環境学 第3版』 [(*) 表紙画像] の6.1.1節 119ページに書かれている。) したがって、「温室効果」は大気の性質をさすことばであって、 現実の温室の性質をさすことばではない、ととらえるのがよい。

小課題

金星の温室効果について、大まかに見つもってみる。 数量そのものをもとめる方法によっても、地球のばあいとの比をもとめる方法によってもよい。

(1) 太陽から金星までの平均距離は、太陽から地球までの平均距離の 0.72 倍 (有効数字 2けた) である。 金星までの平均距離に達する太陽放射の単位時間・単位面積あたりの放射エネルギーはどれだけか。 ただし、地球のばあいの値は 1.36 × 103 W/m2 である。 [これは前回の課題の金星のばあいと同じ。]

(2) 金星の太陽放射反射率は、0.76 である。(地球のばあいは 0.30 である。) 金星が単位時間・単位表面積あたり吸収する太陽放射エネルギーはどれだけか。 (表面積と断面積に注意)。

(3) 金星の有効放射温度はいくらか。 ただし、シュテファン・ボルツマンの定数は 5.67×10-8 W m-2 K-4 である。 (地球のばあいとの比をもとめる方法によればこの数値はつかわないでも計算できる。)

(4) 金星の大気の温室効果が、ガラス板 80枚 のモデルで近似できるとする。 (ガラス板モデルがあらい近似なので、数量の精度は高くない。 80という値は、量のけたが合ううちから、計算が簡単になるようにえらんだものである。) 金星の地表面温度は (絶対温度で) 有効放射温度のなん倍になるか。

温室効果気体

気体分子が波長 10μm 前後の赤外線を吸収・射出するしくみは、 分子の振動または回転に伴うものである (ペティ『詳解 大気放射学』; 浅野『大気放射学の基礎』 参照)。 電磁波は、振動数に比例（波長に反比例）する量のエネルギーをもつ粒子（光子）の集まりでもある。 分子は、エネルギーレベルの異なったいくつかの振動モードをもち、 そのエネルギーレベルの差に対応する光子を吸収・射出する。

分子の振動によって吸収・射出される電磁波の波長は、 分子のエネルギーレベルの差によって、きびしく選択され、スペクトルは吸収線になる。 しかし、大気中では、 光子の吸収・射出と大気中での分子間の衝突とが組み合わさって起こることによって、 波長選択性はゆるめられ、スペクトルの吸収線は幅をもつ。

窒素 (N2)、酸素 (O2) などの同じ原子からなる2原子分子や、 アルゴン (Ar)などの1原子分子は、有効な振動モードを持っていない。

地球放射の吸収・射出に効くのは、 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)、 クロロフルオロカーボン (通称 フロン)類（CCl3Fほか)などの3原子以上の分子なのだ。 (一酸化炭素 (CO)などの非対称な2原子分子もいくらか効く)。 これらの物質を「温室効果気体」と呼ぶことがある。

分子あたりの吸収・射出の強さと分子数とのかけざんで考えて、 地球大気の温室効果にとっていちばん重要なのは、水蒸気だ。 しかし、大気中の水蒸気は海から供給され、その量は温度が高いほど多くなる。 大気中の水蒸気量と温度との因果関係は双方向であり、 水蒸気の温室効果は気候システムにとって正のフィードバックとして働く。 このことは、別のページであつかう。

それについで重要なのが、二酸化炭素だ。 気候システムにとって、二酸化炭素濃度は、外部からあたえられる強制作用と とらえるのがふつうになっている。

鉛直1次元モデルによる温室効果の評価

温室効果物質の変化が地上気温(または地表面温度)におよぼす効果の定量的評価は、 空間的な不均一を考慮しない 0 次元モデルでは困難だが、 鉛直分布だけを考慮する(水平方向は全球平均を考える) 1 次元モデルならばできることが、 真鍋 淑郎[まなべ しゅくろう]さんの1960年代の仕事によってわかった。

鉛直温度分布の基本的な特徴の再現

真鍋さんの1964年の論文では、対流圏・成層圏の現実的温度分布が再現された。 大気を鉛直に層にわけ、それぞれの層の温度がエネルギー収支によって変わるとし、 エネルギーを変化させる原因として放射の吸収・射出を考え、 大気成分量を現在の気候の代表値で与えた。 勝手な温度分布(高温側でも低温側でも)からモデル大気の温度分布の時間発展を計算すると、 300日くらいで、対流圏・成層圏の基本的温度分布が再現された。 (ただし、季節変化はない。) しかし、放射だけ(次の図の左側)では、対流圏の温度減率が大きすぎる。 実際には対流によって温度減率が約 6.5℃/km になっているので、 エネルギー保存をみたしながら、温度減率がこれより大きいところはこの値になるように調節すると、 現実に近い鉛直温度分布になる(図の右側)。

kagaku201006_fig1.png Manabe & Strickler (1964)の論文の図。

manabe_strickler.png Manabe & Strickler (1964)の論文の図。

定常状態での各層のエネルギーのつりあいをみると(上の白黒の右側の図)、 成層圏では放射だけでつりあっていて、収入はおもにオゾンによる太陽放射のうち紫外線の部分の吸収、 支出はおもに二酸化炭素が地球放射(赤外線)を射出することである。 (成層圏では水蒸気は微量成分にすぎないので、二酸化炭素のほうがきく。) 対流圏では対流が重要になる。気候システムによる太陽放射の吸収はおもに地表面でおこり、 対流圏の大気のエネルギーの収入の最大の部分は、地表面からの対流によるエネルギー輸送なのだ。 対流圏の大気のエネルギーの支出の最大の部分は、水蒸気が地球放射(赤外線)を射出することである。

鉛直1次元モデルによる「二酸化炭素濃度倍増への定常応答」(定常状態どうしの気温の差)

真鍋さんの1967年の論文では、同様なモデルで、大気成分の濃度を変えた。 水蒸気は、気温に応じて、相対湿度一定(つまり比湿が飽和比湿に比例)として変化させた。 二酸化炭素は外部条件として与え、300 ppmを標準として、その2倍や2分の1に変えた。

manabe_wetherald.png Manabe & Wetherald (1967)の論文の図。

結果として、成層圏の温度は、二酸化炭素濃度が高いほど低くなる。 (CO2の増加は地球寒冷化をもたらす! ただし場所は成層圏。) 成層圏の大気のエネルギー収入は、オゾンによる太陽放射の紫外線部分の吸収、 支出は大気自体の宇宙空間への地球放射射出でその主役は二酸化炭素である。 二酸化炭素の増加は、成層圏にとっては、エネルギーの出口のあきをひろげるように働くのだ。

対流圏と地表面の温度は、二酸化炭素濃度が高いほど高くなる。 対流圏の気温減率を一定と仮定しているので、その範囲でどの高さをとっても差は同じ。 地上気温でいうと、二酸化炭素濃度が2倍のほうが、2.3℃だけ高くなった。

ただし、ここでは、水蒸気は、相対湿度一定、つまり、 比湿(=水蒸気の濃度)が温度で決まる飽和比湿に比例して変わる、と仮定した。 もし、水蒸気量が変わらないとすると、 二酸化炭素を2倍にしたときの定常状態どうしの温度差(「二酸化炭素倍増に対する定常応答」)は、 相対湿度一定の場合の約半分(約1.2℃)になる。 水蒸気の温室効果は、温度に対して正のフィードバックとして働き、 気候システムの感度を高めている。

3次元モデルによる「二酸化炭素濃度倍増への定常応答」(定常状態どうしの気温の差)

真鍋さんは3次元の気候モデルをつくり、 二酸化炭素濃度を変えた準定常状態の結果を1975年の論文で発表した。 世界平均地上気温は、二酸化炭素濃度が2倍のほうが、2.9℃だけ高くなった。 鉛直1次元モデルの場合とのちがいは、偶然の可能性もあるが、 3次元モデルでは積雪や海氷が変化しうるようにしたので、 (別ページでのべる)雪氷アルベド フィードバックがきいて、 気候システムの感度が少し高まったとも考えられる。

二酸化炭素濃度変化から気温変化への因果関係を説明する単純な模式

ここまでは、気候の変化を、準定常状態どうしの比較で考えている。 真鍋さんの1985年の解説で使われた、二酸化炭素濃度が高いほうが地上気温が高くなることの説明は、 ふろおけモデル([(気候システム論教材) ふろおけモデル]参照)と似ている。 対流圏の気温減率が一定であることを前提とする。 外に出ていく地球放射が、代表高さの気温の黒体放射にひとしいという単純化をして考える。 最初は、太陽放射吸収と地球放射射出がつりあった定常状態だったとする。 そこで、地球放射吸収・射出物質がふえたとする。 すると、大気は「赤外線の目でみて、より不透明になる」から、 地球放射を出す代表高さは、外に近づく。つまり高くなる。 気温が変わらないとすれば、新しい代表高さから出る地球放射は、太陽放射吸収より少ない。 そこで気候システムのエネルギー収支は収入過剰となり、温度があがっていく。 新しい代表高さの温度が、地球の有効放射温度に達したとき、新しい準定常状態になる。 このとき、地上(高さ0での)気温は、最初よりも高くなっている。

manabe_explain.png 増田作図。上側の図は真鍋淑郎さんの1983年の講義や1985年に『科学』に出た解説でつかわれた図にもとづいている。

2020-06-07, 2020-11-22, 2021-10-10
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
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