エネルギー収支と気候変動

気候とは?

• 定義は専門家のあいだでも一致しない (例、火星に気候はあるか?)。増田はつぎの3層の意味がかさなりあっていると考えている。
  • 1. (近代科学がはじまるまえから) 人間社会の基盤ともなり制約条件ともなっている自然環境 (「風土」) のうち大気関係の部分 (寒暖、乾湿、風など)
  • 2. (19世紀ごろから)
    • 気象要素 (大気に関する物理量) の観測値の数十年間の統計であらわされることがら。
      • (統計量の例として「平年値」は30年間の平均値。しかし統計量は平均値だけではない。)
      • (気象要素としては気温と降水量が重視されてきたが、それだけではない。)
    • 人による記録のない過去については、生物化石、地質学的・地形学的な証拠などから復元推定する。
  • 3. (1970年代ごろから) 「気候システム」 (あとで説明する) の状態。

気候の変化についての認識の発達

• 「気候とは」の「2.」の時代には、現代 (気象観測がはじまってから) の気候は各地点ごとに一定であると考える人が多かったが ...
• 地質学的過去の気候は、現在とちがっていた (らしい) と認識された。
  • 氷河の証拠 (「迷子石」、擦痕、モレーン (氷堆石) ... ) が、現在は氷河のないところにある。 ... 「氷河時代」が認識される。現在はつぎの2つを区別して認識している。
    • 1万年～10万年の時間スケールの「氷期・間氷期」(大陸氷床がひろがった時代とせばまった時代)
    • 千万年～億年スケールの「氷河時代・ 無氷河時代 (仮称)」 (大陸氷床があった時代となかった時代)
  • 植物化石 (石炭など) からみて森林があったと推定されるところが、現在は森林ができる条件にない。
    • 原因は、気候の変化、極移動 (地球の自転軸と海陸分布との関係の変化)、大陸移動がありうる。
    • かつては植物化石が大量にのこる時代は温暖な気候で森林が繁茂したと考えられたが、 いまはむしろ、森林が成立する気候のうちでは寒冷で有機物が分解しにくかったと考えられている。
• 地質時代の気候の変化 (変動) の原因について、さまざまな説がたてられた。
  • 宇宙 ... 太陽、もっと遠くの天体、天の川銀河のなかの太陽系の運動、...
    • (他の惑星の重力) → 地球の公転軌道や自転の変化 → 地球に達する太陽放射エネルギー (緯度別・季節別) の変化。 1万年～10万年の時間スケールで重要。ミランコビッチ (Milankovitch, 1879-1958) の名まえで知られる。
  • 地球内部
    • 火山噴火
    • 極移動や大陸移動によって (注目する地点の緯度が変わるだけでなく) 地球全体の気候が変化する可能性
  • 海洋 (「気候とは」の「2.」のもとでは気候の外。「3.」のもとでは気候の内。)
  • 気候の自発的な振動
• 生き残った原因説は、エネルギー保存の法則を基礎とするものだった。

エネルギー保存則にもとづいて気候の変化をとらえる

• (大気や海洋は流体でありエネルギーの流れにとって物質の運動が重要であるにもかかわらず) ここで問題になるエネルギーのたまりの量のうちで運動エネルギーは重要でないので、 エネルギー保存則にもとづくエネルギー収支を「熱収支」としてあつかってもよい。

保存則の考えかた

• エネルギーの出入りのない系 (孤立した系) のエネルギーのたまりは時間変化しない。
• エネルギーの出入りのある系のエネルギーのたまりは、 エネルギーの流入と流出の差 (エネルギーの正味の流入) だけ変化する。
• エネルギーの出入りのある系で、もしエネルギーのたまりが変化しない (定常状態) ならば、 エネルギーの流入と流出がつりあっている (正味の流入がゼロである)。

エネルギーのうちわけ

• 内部エネルギー
  • 温度による部分。熱容量×温度 = 質量×比熱容量×温度 = 体積×密度×比熱容量×温度。 比熱容量 (単位質量あたりの熱容量) は、物質と相をきめれば、ほぼ定数。
  • (水の) 相変化による部分 (「潜熱」)。同じ質量、同じ温度でも、固体より液体、液体より気体のほうが内部エネルギーが大きい。 水の質量×「水の単位質量あたりの {融解の、蒸発の} 潜熱 (ほぼ定数)」
• 位置エネルギー。地球の地表面付近では、質量×重力加速度(定数とみなす)×高さ。
• 運動エネルギー。(1/2)×質量×(速度の大きさの2乗)

エネルギーの流れのうちわけ

• 仕事 = 力×距離
• 熱伝導
• 物質にともなうエネルギーの移動。熱伝達論でいう「対流」。 気象学・海洋学では「移流」「対流輸送」「乱流輸送」などにわける。
• 「放射」 ... 電磁波 (光、赤外線など) にともなうエネルギーの移動。

エネルギーに関する量の単位

• 力。SI単位は、運動方程式「力 = 質量×加速度」により、 kg m/s²。 ニュートン (1642-1727) の名まえがつけられた。記号は N。
• エネルギー。SI単位は、「仕事」の単位として「仕事 = 力×距離」により、N m = kg m²/s²。 ジュール (1818-1889) の名まえがつけられた。記号は J。
• 「熱量」の古い単位「カロリー (cal)」。(液体の) 水の比熱容量を 1 cal/(g K) とする。 ジュールの実験などによって、1 cal は 約 4.2 Ｊ であることがわかった。
• 温度目盛りのセルシウス度 (℃) と ケルビン (K) は原点はちがうが温度差に関するかぎり同じなので、 熱容量や比熱容量の分母にでてくるときはどちらでも同じ。
• 単位時間あたりのエネルギーの流れ。仕事のばあいは「仕事率 (power)」、 電気のばあいは「電力 (power)」。SI単位は J/s 。 ワット (1736-1819) の名まえがつけられた。記号は W。
• 単位面積・単位時間あたりのエネルギーの流れ。SI単位は W/m²。短い名まえはついていない。

どんな系 (system) のエネルギー収支を考えるか?

• (気候を「気候とは」の「2.」のように大気に関する量でとらえるとしても、 その変化の原因を考える際には大気だけで話がすまず、海洋や雪氷をいっしょに考える必要がある。)
• 「気候システム」... 大気、海洋、雪氷 (氷河、積雪、海氷など)、陸面からなる。
  • [気候システムの概念図 (国際GARP委員会, 1975)] (気候システム論教材ページ)
  • 陸面は岩石圏全部ではない。境界線をひくのはむずかしいが、 時間スケール 1年ならば深さ 1 m ぐらい、100年ならば 10 m ぐらい、1万年ならば 100 m ぐらい。
• 気候システムの下端でのエネルギーの流れは無視することが多い。
  • 地殻熱流量 (地熱) ... 火山・温泉地帯では大きいが、全球平均すると 0.1 W/m² ぐらい。
    • [地球表層のエネルギー収支の主要な項] (気候システム論教材ページ)
  • 人工熱 (化学エネルギーや核エネルギーから内部エネルギーへの転換) ... 全球平均すると地殻熱流量よりも小さい。
    • [人工廃熱] (気候システム論教材ページ)
• 気候システムの上端 (大気上端) でのエネルギーの流れ
  • 上端の場所をしめすのはむずかしいが、そこから上にある大気の質量が無視できるところ。
  • したがって、上端では、熱伝導も、大気の動きにともなうエネルギー移動も無視でき、エネルギーの流れは放射だけになる。
  • エネルギー収入: 太陽からくる放射 (可視・近赤外) のうち、気候システムが吸収する部分。 (反射する部分は、はいってこないとみなす。)
  • エネルギー支出: 地球上の物体 (海面、陸面、大気、雲など) の出す熱放射 (赤外) のうち、宇宙空間にでていくもの。
• 気候システムのエネルギーのたまりの大部分は、海洋と雪氷の内部エネルギーである。
  • 収入過剰ならば、エネルギーのたまりがふえる。温度が上がるか、氷がへるか、水蒸気がふえる。「グローバルな温暖化」といえるだろう。
  • 支出過剰ならば、エネルギーのたまりがへる。温度が下がるか、氷がふえるか、水蒸気がへる。「グローバルな寒冷化」といえるだろう。
• 気候システムのエネルギーのたまりの総量の変化をともなう気候変化は、 気候変化のすべてではないが、グローバルな気候変化の主要な部分をしめるだろう。

気候システムのエネルギー収支を変える要因

• 気候システム内の変数とみられるものを「内因」、 (存在場所は気候システム内であっても) 気候システム外の事情できまっているとみられるものを「外因」とみる。
  • (「内因」「外因」という表現は増田のものであり標準的学術用語ではない。 「外因」は external forcing を直訳すれば「系外からの強制」。)
• 地上気温または地表温度の変化からはじまる因果連鎖を考えたとき、 内因はフィードバック (feedback) としてはたらくことが多い。 フィードバックには、変化を強める正のフィードバックと、変化を弱める負のフィードバックがある。
• エネルギー収入 (太陽放射の吸収) を変える要因
  • 太陽が出す放射量の変化 (外因)
  • 太陽・地球間に存在する放射吸収物質の変化 (外因) (実態不明だがたぶん重要でないと思われる)
  • 太陽と地球の位置関係の変化 (外因) 日周期、年周期、ミランコビッチ周期
  • 地表面を覆う雪氷 (正のフィードバック)
  • 土地被覆変化 (外因、自然と人間活動由来がある)
• エネルギー支出 (地球放射の射出) を変える要因
  • 温度が高いほど出ていく放射が多い (黒体放射ならば (絶対)温度の4乗に比例)。(負のフィードバック。基本的すぎてわすれられがち。)
  • 赤外線を吸収・射出する大気成分。 これが多いほど、地表面が出した熱放射が宇宙空間に出ていくまでの吸収・射出のくりかえしが多くなり、 地表面温度のわりに出ていく赤外線が少なくなる。 現実には、出ていく赤外線の量がエネルギー収入とのつりあいでだいたい決まっているので、 地表面温度が高くなる。これが「温室効果」とよばれる大気の効果である。
    • N₂とO₂ は同じ原子からなる2原子分子、Ar は1原子分子で、 赤外線の吸収・射出にきく振動モードをもっていない。
    • H₂O (水蒸気) (正のフィードバック)
    • CO₂ (二酸化炭素)、CH₄ (メタン) など (外因、近年はおもに人間活動由来)
• エネルギーの収入・支出の両方にきく要因
  • 大気中にただよう固体や液体の微粒子 (エーロゾル aerosol [広い意味])
    • 白っぽいエーロゾルは、太陽放射反射をふやし、エネルギー収入をへらす。
      • H₂O を主成分とするもの ... 「雲」(気象学では「エーロゾル」といわない) (フィードバックとしてきくが正負不明)
        • 温度上昇 → 雲量 (雲におおわれた面積比) 増加 ならば、太陽放射について負、地球放射について正
        • 温度上昇 → 雲量 (雲におおわれた面積比) 減少 ならば、太陽放射について正、地球放射について負
      • 硫酸 (H₂SO₄) 液滴 ← SO₂ ガス ← 火山噴火、大気汚染 (外因)。
    • 黒っぽいエーロゾルは、太陽放射吸収をふやし、エネルギー収入をふやす。ただし、加熱はエーロゾルのある層に集中するだろう。
• 地球史を大局的にみると、短期的な事件ではエーロゾルが重要なこともあるが、 長期持続する主要な要因は、大気中の二酸化炭素と、雪氷のうちの大陸氷床 (巨大な氷河) だといえそうだ。 ([地学 II] でややくわしくあつかう予定。)
• 今後100年ぐらいの気候変化を考える際に重要な外因はつぎのものがあげられる。
  • 自然由来
    • 太陽
    • 火山由来のエーロゾル
  • 人間活動由来
    • 二酸化炭素その他の温室効果気体
    • 人間活動 (大気汚染) 由来のエーロゾル
  • ただし自然由来の要因はいずれも予測困難。人間活動由来の要因は人間社会の意志 (政策をふくむ) で変わりうる。
• 人間活動由来の温室効果気体の増加によってひきおこされる気候変化 ...「地球温暖化」 (「由来の」は「増加」にかかることに注意) ... [大気環境変化 (人間活動と環境変化 -- 大気の循環)] の授業であつかっている。 ここではその教材ページを部分的につかって説明する。

[大気環境変化 (人間活動と環境変化 -- 大気の循環)]の教材ページのうち地球温暖化関係のもの

• [2026-07-08] 2026-05-12 の授業でどのページをつかったか記憶が不確かになったので、可能性のあるものをひろめにリンクしておきます。
• [グローバルな気候変化] (大気環境変化 教材ページ)
• [地球温暖化の理解の簡単な歴史] (気候システム論教材ページ)
• [二酸化炭素濃度の時系列 (Mauna Loa)] (大気環境変化 教材ページ)
• [気候システムの感度の指標としての、二酸化炭素倍増に対する定常応答] (大気環境変化 教材ページ)
• (補足) [二酸化炭素濃度に対する気温の定常応答(平衡応答)と過渡応答、気候感度] (2015-07-15)
• (補足) [気候感度についてもう少し広く考える] (2015-07-17)
• [IPCCについて、IPCCへの貢献を想定した日本での研究] (気候システム論教材ページ)
• [問題になっている温室効果気体 (数値はIPCC第5次報告書にもとづく)] (気候システム論教材ページ)
• [温室効果気体濃度の時系列] (IPCC第5次報告書にもとづく。第6次の情報所在を補足した。) (大気環境変化 教材ページ)
• (外) (気象庁) 知識・解説 > 海洋の温室効果ガスの知識 > [海洋の炭素循環] (IPCC第6次報告書から要約した数値をふくむ)
• [炭素循環の概略 (IPCC 第(1,3),4,5次報告書にもとづく)] (気候システム論教材ページ)
• [(IPCC (第4次以降) で中心的に扱われてきた)気候「予測」の考えかた] (気候システム論教材ページ)
• [IPCC第5次報告で使われた「RCP」濃度シナリオ、排出量、気候モデルの結果の全球平均地上気温] (気候システム論教材ページ)
• (外) (Wikipedia日本語版) [[気候変動シナリオ]] (IPCC第6次報告書で採用されたSSP-RCPシナリオの説明をふくむ)
• [「地球温暖化」は単に温度が上昇することではない (と考えよう)] (大気環境変化 教材ページ)
• [地球温暖化にともなう水循環の変化] (大気環境変化 教材ページ)
• [雪氷圏] (地学 II 教材ページ)
• [地球温暖化にともなう海水面の変化] (大気環境変化 教材ページ)
• [地球温暖化の影響と対策] (大気環境変化 教材ページ)

計算問題

• (a) 100 m、(b) 500 m、(c) 4000 m の3つの深さの水の層を考える。 (それぞれ、海洋のうちの、(a) 季節変化がおよぶ混合層、(b) 風による循環がおよぶ表層、(c) 全層を おおまかに想定したものである。) それぞれに 1 W/m² のエネルギーが追加され、層のなかで一様に分配されるならば、 層の温度が 1 K (1℃と言っても同じ) だけ上がるまでにどれだけの時間がかかるか。 日常の話題につなげやすい時間の単位をつかって答えよ。 ただし、地表面の単位面積あたりのエネルギーのたまりは、層の深さ×密度×比熱容量×温度 と考える。 (層の深さは「単位面積あたりの体積」なので。) 水の密度は 1 g/cm³、比熱容量は 1 cal/(g K)、1 cal = 4.2 J としてよい。 数量の単位を、kg, m, s から組み立てられて接頭語のつかないものにそろえて計算し、 結果を必要に応じて換算するのがよいだろう。

本の紹介

• 渡部 雅浩, 2018: 『絵でわかる 地球温暖化』。講談社, 185 pp. ISBN 978-4-06-511946-4. [読書メモ]
• 真鍋 淑郎、アンソニー J. ブロッコリー 著, 増田 耕一、阿部 彩子 監訳、宮本 寿代 訳, 2022: 『地球温暖化はなぜ起こるのか -- 気候モデルで探る 過去・現在・未来の地球』 (ブルーバックス B2202)。講談社, 309 pp. ISBN 978-4-06-528081-2. [読書メモ]
• 松山 洋、増田 耕一 編, 2021: 『大気と水の循環』。朝倉書店, 136 pp. ISBN 978-4-254-16076-5. [読書メモ] (第1～3章がきょうの話題に近い)
• スペンサー・R・ワート [Weart] 著, 増田 耕一, 熊井 ひろ美 訳, 2005: 『温暖化の〈発見〉とは何か』。 みすず書房。 [読書ノート] ... 地球温暖化に関する認識の発達をあつかった科学史の本。