グローバルな気候の変化

[2024-04-19] 4月18日の授業の時点で未完成だったところをひとまずととのえました。 もうすこし改訂する予定です。

「地球温暖化」と「地球温暖化問題」

わたしは「地球温暖化」と「地球温暖化問題」を区別したい。 (世間にこのように区別せよと主張するつもりはない。)

[図解]

この授業では、今回から数回「地球温暖化」をあつかい、 そのあとの回で「地球温暖化問題」をあつかう予定。

気候システム

気候の変化を、気候システムのたちばで考える。

[気候システムの概念図 (国際GARP委員会, 1975)]

気候システム ... 大気・海洋・雪氷・陸面が、 物質 (とくに水)、エネルギー (熱)、力をやりとりしている。 「陸面」を厳密にくぎるのはむずかしいが、地球内部全部ではなく、 土壌・陸水・植生などをさしている。 (「生物圏」を別にかぞえることもあるが、ここでは陸上生態系は陸面に、 海洋生態系は海洋にふくめておく。)

気候システムとはどんなシステムか? ... つぎの両者をかねそなえたもの

[(気候システム論) ここでの「システム」の意味 ]

1970年代、「気候システム」と「生物地球化学サイクル」の概念ができた。

生物地球化学サイクル ... 大気・海洋・陸面にわたる物質循環。 とくに、C, N, S などの元素の循環。 そこでは生物がその活動にともなって元素をとりこんだり排出したりすることも重要。

気候システムと生物地球化学サイクルの両方をふくんだ図の例として、 NASAのもとにつくられた「地球システム科学」委員会の1986年の報告書の図がある。

[地球システムのうち、流体・生物関係のプロセス (NASA,1986)]

この図は、同じ場所であるはずの 大気 (対流圏) が 2つの別々の箱としてあらわれる など、変なところがある。なぜこうなったのかというと、 研究者集団がちがっていたからだ。

いまでは、物理の態度も化学の態度もあわせた「地球システム」 (地球内部と区別して「地球表層システム」ともいう) のあつかいをすることも多くなった。 しかし、複雑な問題に対しては、単純化したあつかいも必要だ。

今回から数回は、物理の態度での「気候システム」をあつかう。 水以外の成分 (たとえば二酸化炭素) の濃度は、(空間的には対象領域内にあっても) ひとまずシステム外からあたえられた要因とみなす。

質量保存とエネルギー保存

いくらかくわしくは、「地学 II」の教材ページ参照。今年度は 2024-04-23 の予定。)

[物理量に注目すること; 質量保存 (地学 II 2023-04-25)]

[エネルギー保存、エネルギーの流れ (地学 II 2023-04-25)]

物理法則の文脈で「保存」とは、不生不滅であることである。 しかし、地球環境科学では、質量やエネルギーの出入りのある系で考えることが必要。 そのばあい、「保存」はかならずしも「数量が時間とともに変化しない」ではない。

とくに、定常状態 (「たまり」が時間変化しない) では

エネルギーの「たまり」には、内部エネルギー、(地球の重力の) 位置エネルギー、 運動エネルギーなどがある。

(運動が重要であっても) エネルギーのうち運動エネルギーの寄与がわずかなことがある。 このばあいのエネルギー収支を「熱収支」という。

気候システム全体のエネルギーの出入り

下側の境界での出入りは、「地殻熱流量」、いわゆる「地熱」がある。 (火山・温泉では大きいが) 全球平均では 0.1 W/m2 ぐらい。 ここでは省略する。

[(気候システム論) 地球表層のエネルギー収支の主要な項]

人工熱 (他のエネルギーから大気の内部エネルギーへの変換) は (都市・発電所などでは大きいが) 全球平均では地殻熱流量よりもさらに小さい。

[(気候システム論) 人工廃熱]

したがって、上側の境界 (便宜上「大気上端」とよぶ) での出入りだけを考える。

「大気上端」は (厳密に定義できるものではないが、 考える問題に応じて) そこから上には空気などの物質がないとみなせる高さである。 気候システムにとっては、海面からの高さ 100 km ぐらいを考えればよさそうだ。 (電離層をあつかうことが必要ならば、上端はもっと高いところになる。)

「大気上端」 では、 仕事、物質の動きによるエネルギー輸送 (熱伝達論でいう「対流」)、 熱伝導がいずれも無視できるので、 「放射」 つまり電磁波にともなうエネルギー輸送だけを考えればよい。

太陽放射は電磁波 (可視・近赤外 ... 気象学用語での「短波」) である。 地球は太陽放射を一部反射し、のこりを吸収する。 吸収する部分が気候システムにとってのエネルギーの収入になる。

すべての物体は、温度に応じた熱放射を出している。 地球上の物体の出す熱放射は、波長 10μm 付近の赤外線 (熱赤外 ... 気象学用語の「長波」) である。 そのうち、宇宙空間に出ていくものが、気候システムにとってのエネルギーの支出になる。

地球上では、太陽放射 のほとんどは波長 4 μm 以下、 地球放射 (大気をふくむ地球上の物体の熱放射) は 波長 4 μm 以上なので、 波長で区別できる。気象学用語の「短波」「長波」はこれをさす。 (ラジオの電波の「短波」「長波」とはちがうことに注意。)

グローバルな気候の変化の原因 (の重要候補): エネルギー総量を変える原因

気候の変化の原因はいろいろありうる。

そのうち、グローバルな気候の変化は、 (かならずではないが) おそらく、気候システムのエネルギー総量の変化をともなうだろう。 エネルギー保存の法則から、気候システムのエネルギー総量の変化は、 エネルギーの収入または支出の変化をともなう。 そこで、グローバルな気候の変化の原因としては、 エネルギーの収入または支出の変化をもたらす原因を考えればよさそうだ。

気候システムのエネルギーの大部分は内部エネルギーなので、 エネルギーが多い状態は、だいたい、温度が高い状態と考えてよい。 ただし、(比熱容量がさまざまであり、相変化もあるので) エネルギーと温度とが比例するとはかぎらない。

ローカルな気候をかえる原因は、グローバルな気候をかえる原因のほかにもある。 ローカルなエネルギー源もありうるし、気候システム内のエネルギーの分配の変化もある。 人が経験するのはローカルな気候なので、ローカルな気候の変化を予測したいという欲求があるが、 理屈を考えることや、予測することは、ローカルのほうがむずかしく、グローバルから考えたほうがよい。

エネルギーの収入をかえる要因

(「fb」とした要因は、温度にともなって大きく変化するので、 エネルギー収支にとっては系外からの強制要因ではなくフィードバック要因となる。)

エネルギーの支出をかえる要因

赤外線を吸収する (射出もする) 物質の変化。 (ひとまず簡単に) このような物質のはたらきで、出ていく放射の代表温度にくらべて、地表温度が高くなる。

気候システムのエネルギー収支のいちばん単純な定式化

0次元 (東西・南北・上下いずれも区別しない)、定常 (時間変化しない) エネルギー収支モデル

[(気候システム論) 地球全体(大気を含む)のエネルギー収支の0次元・定常的考え方]

地球の有効放射温度 (相当黒体温度) ... 地球から出ていく放射の代表温度

地表温度は有効放射温度よりも高い。 それをもたらす大気のはたらきを大気の「温室効果」という。

この単純なモデルでは、 モデルの気候システムの外から与えられる要因として、 次の3つがある。それぞれを変えると、地表温度はどう変わるか? (有効放射温度は、1 または 2 を変えた場合は変わる。3 だけを変えたばあいは変わらない。)

つぎの図に数値例をしめした。図の番号は、まえにつかったときのもの。 そこでは、放射の強さは、S0 を 100 とした相対値でしめしている。

[図10]

[図11]

[図12]

[図13]

2024-04-18, 2024-04-19
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
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