Raymond T. Pierrehumbert (2010) Principles of Planetary Climate

  • Raymond T. PIERREHUMBERT, 2010: Principles of Planetary Climate. Cambridge University Press, 652 pp. ISBN 978-0-521-86556-2.

2010年末に出たばかりだが、すでに評判は高い。半年ほど前まで著者のウェブサイト http://geosci.uchicago.edu/~rtp1/ で原稿が公開されており、地球温暖化の件にかかわる科学者のブログ RealClimate (http://www.realclimate.org/、著者は raypierre として発言している)などでたびたび話題になっていたからだ。わたしは原稿を読む機会をのがし、紙で出版されるのを待って注文した。圧倒される厚さで、全体をよく読む時間がとれるかどうかわからないが、あちこちを参照することにはなりそうだ。

これは気候について物理を基礎とした理論からせまる考えかたの教科書だ。大学院初級の(まだ研究よりも学習が主となる期間の)授業で使うことが想定されていると思う。他の理工系の専門を知っている人が気候に視野を広げるのにも役だつだろう。

大気の物理を扱っているが、地球だけではなく、金星や火星、さらに別の太陽系の惑星の大気についても論じられるような体系をめざしている。

大気の物理の理論のうちでは流体力学に基づくものが重要な部分をしめ、著者の専門的実績もその分野が主だったのだが、本書ではそれは最後の章に予告編的に出てくるだけだ。続編で書く考えはあるが、それまでは既存の地球流体力学の教科書を参照してほしいそうだ。むしろそれに欠けているところを書いたということらしい。おもな話題は鉛直1次元の放射(電磁波)の伝達だ。

これまで理論の教科書というと数式が多いのがふつうだったが、本書はそれほど数式が多くない。数式変形で解けるような問題はあまり実際的ではないので数値計算のほうを重視したようだ。ただし重要な数式は示されており、それがどのように導かれたかを知りたい場合は、それぞれの専門分野の過去の教科書にあたる必要がありそうだ。

数量を実際に計算したり表示したりしてみる演習問題を重視しているのが特徴だ。その教材は、一部は出版社が用意したウェブサイトhttp://www.cambridge.org/pierrehumbert にあるが、基本的には著者のウェブサイトにある。プログラム言語としてPythonが採用されている。(日本の同業者ならばRubyを使うところだろう。) Fortranで書かれた気候モデル(NCAR CCM)の放射の部分をPythonから呼び出すプログラム(もと著者の研究チームにいた人が作ったもの)も提供されている。

図がたくさんあるが、ほかの文献から引用した図はほとんどない。観測データのグラフなども、著者自身が作図したものなのだ。作図に使ったソフトウェアは演習用と同じもので、演習教材を使って教科書の図の再現ができるようになっているらしい。

各章ごとにさらに学ぶ人のための文献案内はあるが、詳しい文献リストがない。これには驚いたが、理論の教科書であり、しかも図を自作しているので図を引用するための文献参照がないので可能なのだ。

同じ著者による解説が雑誌Physics Today (http://www.physicstoday.org/ )の2011年1月号に出ている。
(R.T. Pierrehumbert, 2011: Infrared radiation of planetary temperature. Physics Today, January 2011, 33 – 38.)
地球温暖化の理屈という切り口で本書の要点を紹介したものと言ってよいと思う。その短い中にも、地球大気の放射についての常識を、他の惑星の大気を考えるときはどう変える必要があるかなど、わたしには新しい知見もあったし、知っていることでも説明のしかたの参考になることがあった。日本語版が『パリティに出ることを期待する 2012年9月号に出た(前澤 裕之 訳「赤外放射と惑星の温度」) [この部分 2017-05-30改訂]。

「暴走温室効果」の件でKombayashi-Ingersoll limitというものが出てくるが、このKombayashiはKomabayasiが正しい。1967年にJournal of the Meteorological Society of Japan (気象集誌)に出た駒林誠さんの論文の論点をさす。(この論文のPDFファイルはここ [2014-12-10 リンク先修正]から公開されている。ただし簡潔すぎて読みやすい論文ではない。) RealClimateで話題になった際に指摘したのだが、本書出版には間に合わなかったようだ。

本書にもどって、目次を書きうつしておく。長くなるので折りたたんでおく。

== Contents ==
[Contents:vii]
Preface:xi
Acknowledgements:xx
Notation:xxi[-xxv]
1. The Big Questions:1
1.1 Overview:1
1.2 Close to home:1
1.3 Into deepest time: Faint Young Sun and habitability of the Earth:6
1.4 Goldilocks in space: Earth, Mars, and Venus:14
1.5 Other Solar System planets and satellites:19
1.6 Farther afield: extrasolar planets:21
1.7 Digression: about climate proxies:27
1.8 The Proterozoic climate revisited: Snowball Earth:39
1.9 The hothouse/icehouse dichotomy:45
1.10 Pleistocene glacial-interglacial cycles:52
1.11 Holocene climate variation:56
1.12 Back to home: global warming:58
1.13 The fate of the Earth and the lifetime of biospheres:66
1.14 Workbook:68
1.15 For the further reading:78
2. Thermodynamics in a nutshell:81
2.1 Overview
2.2 A few observations:81
2.3 Dry thermodynamics of an ideal gas:84
2.4 Static stability of inhomogeneous mixtures:93
2.5 The hydrostatic relation:96
2.6 Thermodynamics of phase change:98
2.7 The moist adiabat:103
2.8 Workbook:112
2.9 For further reading:132
3. Elementary models of radiation balance:134
3.1 Overview:134
3.2 Blackbody radiation:135
3.3 Radiation balance of planets:143
3.4 Ice-albedo feedback:153
3.5 Partially absorbing atmospheres:165
3.6 Optically thin atmospheres: the skin temperature:169
3.7 Workbook:174
3.8 For further reading:185
4. Radiative transfer in temperature-stratified atmospheres:187
4.1 Overview:187
4.2 Basic formulation of plane-parallel radiative transfer:188
4.3 The gray gas model:199
4.4 Real gas radiation: basic principles:216
4.5 Real gas OLR for all-troposphere atmospheres:263
4.6 Another look at the runaway greenhouse:281
4.7 Pure radiative equilibrium for real gas atmospheres:289
4.8 Tropopause height for real gas atmospheres:299
4.9 The lesson learned:302
4.10 Workbook:303
4.11 For further reading:313
5. Scattering:316
5.1 Overview:316
5.2 Basic concepts:318
5.3 Scattering by molecules: Rayleigh scattering:330
5.4 Scattering by particles:333
5.5 The two-stream equations with scattering:338
5.6 Some basic solutions:340
5.7 Numerical solution of the two-stream equations:348
5.8 Water and ice clouds:354
5.9 Things that go bump in the night: infrared scattering with gaseous absorption:359
5.10 Effects of atmospheric solar absorption:362
5.11 Albedo of snow and ice:374
5.12 Workbook:375
5.13 For further reading:383
6. The surface energy balance:386
6.1 Overview:386
6.2 Radiative exchange:388
6.3 Basic models of turbulent exchange:395
6.4 Similarity theory for the surface layer:402
6.5 Joint effect of the fluxes on surface conditions:409
6.6 Global warming and the surface budget fallacy:403
6.7 Mass balance and melting:415
6.8 Precipitation-temperature relations:417
6.9 Simple models of sea ice in equilibrium:420
6.10 Workbook:425
6.11 For further reading:431
7. Variation of temperature with season and latitude:432
7.1 Overview:432
7.2 A few observations of the Earth:433
7.3 Distribution of incident solar radiation:433
7.4 Thermal inertia:444
7.5 Some elementary orbital mechanics:457
7.6 Effect of long-term variation of orbital parameters:462
7.7 A palette of planetary seasonal cycles:469
7.8 Workbook:481
7.9 For further reading:496
8. Evolution of the atmosphere:497
8.1 Overview:497
8.2 About chemical reactions:499
8.3 Silicate weathering and atmospheric CO2:503
8.4 Partitioning of constituents between atmosphere and ocean:514
8.5 About ultraviolet:522
8.6 A few words about atmospheric chemistry:523
8.7 Escape of an atmosphere to space:534
8.8 Workbook:587
8.9 For further reading:597
9. A peek at dynamics:599
9.1 Overview:599
9.2 Horizontal heat transport:599
9.3 Dynamics of relative humidity:619
9.4 Dynamics of static stability:621
9.5 Afterword: endings and beginnings:622
9.6 Workbook:628
9.7 For further reading:633
Index:635[-652]
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