Transcript 大気の吸収率
第2回 この回の講義の要点 • 惑星の平均的な温度を第ゼロ次近似的に記 述する放射平衡の導出・理解 • それから導かれること – 惑星全体の平均的な温度とその決まり方 • その発展としてそのメカニズムを考えたいこと – 惑星のエネルギー収支 – 温暖化 地球型惑星の表面温度 • 同じ地球型惑星でも表面温度は大きく異なる 462℃ 15℃ -55℃ 気温の変化 IPCC(2007) 二酸化炭素濃度の変化 • 20 世紀半ば以降に観 測された世界平均気温 の上昇のほとんどは, 人為起源の温室効果 ガスの増加によっても たらされた可能性が高 い. • CO2 増加の原因は化 石燃料の利用 （IPCC AR4 WG1 報告書 政策決定者 向け要約（気象庁訳）(2007)より引用） メタン, 一酸化二窒素濃度の変化 • CH4, N2O増加の原因 は農業活動 （IPCC AR4 WG1 報告書 政策決定者向け要約（気象庁訳）(2007)より引用） この回のキーワード • 放射 （radiation） – エネルギーのやり取りの一形態 • 放射平衡 （radiative equilibrium） – 惑星 （固体・大気） のエネルギー収支を支配 • 温室効果 （greenhouse effect） – 表面温度に影響を及ぼす効果 放射 まず最初に考えておきたいこと： 放射（熱放射） • “物”のエネルギーのやり取りの一形態. – 物体はその温度に応じた波長と強度の電磁波を 放射している. • 経験的に知っていること. – 熱したやかん, 鍋, フライパンを置いておくと, そのうち冷める. – 温度が高いものほど「熱そう」 » 温度が高いものほどたくさんエネルギーを出していそう. – 日なたにいると暑い. » 太陽が太陽の温度（~6000 K）に対応した電磁波を放射. 電磁波・放射 • γ線, X線, 紫外線, 可視光線 （“光”）, 電波は全部電磁波. • μm は 10-6 m • nm は 10-9 m ステファン・ボルツマンの法則 • 物理学によると, 物体が出しているエネル ギーは温度の 4 乗に比例する – ステファン・ボルツマンの法則（StefanBoltzmann law） – エネルギーを最も出しやすい物体 （黒体） が放 射するエネルギーは, F T 4 ( Wm -2 5 . 67 10 8 ステファン・ボルツマン定数 ) -2 -4 ( Wm K ) • 温度 T (K) の黒体表面 の単位面積から単位時 間あたりに射出される 波長 λ (m) の放射エネ ルギー B T 2 hc e 5 2 hc k T 1 黒体放射量 (MW/m2/mm) 黒体放射のスペクトル T=8000K T=4000K T=2000K 6.6261x10-34 s-1) h= (J c = 2.998x108 (m s-1) k = 1.381x10-23 (J K-1) ：プランク定数 ：光速 ：ボルツマン定数 波長 (mm) 黒体放射のスペクトル 太陽 （~6000 K） と地球（~300 K） では放射する波長が異なる. 小まとめ • 物体は温度に対応した波長, 強度で電磁波を 放射している. • 太陽は ~6000 K の放射 – 主に可視光線を放射 • 地球は ~300 K の放射 – 主に赤外線を放射 地球・惑星のエネルギー収支 有効放射温度 惑星全体のエネルギー収支 • 考えること – 太陽からやってくる放射 – 惑星が出す放射 – 惑星全体でもらうエネルギーと出すエネルギーは 等しくなければならない • 等しくないと, 全体の温度が一定になれない – 時間がたつにつれて温度が高くなったり低くなったり 太陽ー惑星のエネルギーの流れ 太陽ー惑星のエネルギーの流れ 主に可視光線（波長が短い） 主に赤外線（波長が長い） 太陽ー惑星のエネルギーの流れ F S 太陽放射 A アルベド＝反射率 F P 惑星放射 （惑星が受け取るエネルギー） ＝（太陽からやってくるエネルギー） － （惑星が反射するエネルギー） 経過を整理 a を惑星の半径とすると, • 惑星が受け取るエネルギー a F S a AF S a (1 A ) F S 2 2 • 惑星が出すエネルギー 4 a F P 2 2 放射平衡 • 平均として惑星が一定の温度に保たれてい るとするならば, （惑星が受け取るエネルギー） ＝ （惑星が出すエネルギー） – これが成り立たない場合, 時間がたつと暑くなっ たり寒くなったりする 放射平衡 • 惑星が受け取るエネルギー a (1 A ) F S a F S a AF S 2 2 • 惑星が出すエネルギー 4 a F P 2 • エネルギーの釣り合い a (1 A ) F S 4 a F P 2 2 2 • 先程の式 a (1 A ) F S 4 a F P 2 2 • 惑星が出すエネルギーは, ステファン・ボルツ マンの法則より, 温度を T e とすると, F p Te 4 なので, a (1 A ) F S 4 a T e 2 2 4 エネルギー収支から求められる温度： 有効放射温度 • 先程の式 a (1 A ) F S 4 a T e 2 2 より, 温度を求めると, Te 4 Te (1 A ) F S 4 4 Te (1 A ) F S 4 有効放射温度 4 地球の有効放射温度 • 地球の有効放射温度を見積もってみる. • 先程の式, Te 4 (1 A ) F S 4 に地球の値を代入. 太陽ー惑星のエネルギーの流れ 太陽放射フラックス F S 1370 Wm -2 アルベド＝反射率 A 0 .3 地球の有効放射温度 • 地球の有効放射温度を見積もってみる. Te (1 0 . 3 ) 1370 [ Wm 4 4 5 . 67 10 8 [ Wm -2 -2 ] -4 255 [ K] 18 [ ℃ ] K ] 5 . 67 10 8 -2 Wm K -4 とりあえず温度が見積もられた. 現実の地球表面の平均温度はこんなに低くないが. 惑星の有効放射温度 • 他の惑星の有効放射温度は? – 多くの場合, 有効放射温度は実際の惑星の表面 温度に近い（?） • 金星は両者の温度が全く違う. 安田本の絵 他の効果の重要性 • 惑星が受け取るエネルギーと惑星が出すエ ネルギーの釣り合いから求めた温度は, どう も現実と合わない. – 火星ではそんなにずれていない. – 金星では地球以上にずれている. • 他の効果を考えなければいけない. 他の効果の重要性 • 惑星が受け取るエネルギーと惑星が出すエ ネルギーの釣り合いから求めた温度は, どう も現実と合わない. – 火星ではそんなにずれていない. – 金星では地球以上にずれている. • 他の効果を考えなければいけない. 温室効果 温室効果 太陽ー惑星のエネルギーの流れ F S 太陽放射 A アルベド＝反射率 F P 惑星放射 大気がない場合のエネルギーの流れ • 大気がない ⇒ 温室効果が働かない 主に赤外線 主に可視光線 反射太陽放射 入射太陽放射 A FS 惑星放射 Te FS Te つりあいの式 a (1 A ) F S 4 a T e 2 2 4 4 4 (1 A ) F S 4 温室効果で考えること • （いくつかの）惑星には大気があること. – 大気の効果 • 大気は地面からの放射（主に赤外線）を吸収（・散乱） する • 大気は自身が放射（・散乱）する • これらの効果によってエネルギーの流れが変 わって温度が変わる. 温室効果の簡単な例 • 温室効果が働く（一番簡単な）例を考える. – “ガラスモデル” – ここでの仮定 • 大気が一層ある • 太陽放射（可視光線）は大気を素通り • 惑星放射（赤外線）は大気に吸収・射出される 温室効果 • 温室効果が働く場合（一番簡単な例） A FS FS T 4 a 大気 Ta T Ts 4 4 a Ts エネルギーのつりあい • 地面と大気の両方でエネルギーがつりあわ なければならない – そうしないと地面や大気の温度が上がって / 下 がってしまう. • 太陽からエネルギーを受ける面積と惑星がエ ネルギーを出す面積を考えて, エネルギーの つりあいを考える. エネルギーのつりあい • 地面と大気の両方でエネルギーがつりあわ なければならない – そうしないと地面や大気の温度が上がって / 下 がってしまう. • 太陽からエネルギーを受ける面積と惑星がエ ネルギーを出す面積を考えると, エネルギー のつりあいは, 大気 4 a T s 2 4 a T a 地面 a (1 A ) F S 4 a T 2 2 4 2 2 4 4 a 4 a T s 2 4 大気がある場合の地面温度 大気 4 a T s 2 4 a T 地面 a (1 A ) F S 4 a T a 4 a T s 2 4 2 2 2 4 a 4 2 • これらの式を解くと, (1 A ) F S Ts 4 Ts 2 4 (1 A ) F S 2 T 4 a Ta (1 A ) F S 4 4 (1 A ) F S 4 4 大気がある場合の地面温度 • 温室効果が働く場合の温度を, 温室効果が 働かない場合の温度と比較. – 有効放射温度は, Te 4 Ts Ta (1 A ) F S 4 4 4 2 4 (1 A ) F S 4 (1 A ) F S 4 Te 4 2 Te 1 .2 Te 大気がある場合の地面温度 • 温室効果が働く場合の温度を, 温室効果が 働かない場合の温度と比較. A FS FS Ta 4 大気 Ta Te Ta Ta 4 Ts 4 Ts 4 2 Te 1 .2 Te 表面温度は約 2 割増し. 大気の温度は有効放射温度と等しい. 大気がある場合の地面温度 • 大気が放射の一部を地面に返すので温度が 上昇. • 雲があることでも似たようなことは起こる. A FS FS Ta 4 大気 Ta Te Ta Ta 4 Ts 4 Ts 4 2 Te 1 .2 Te 表面温度は約 2 割増し. 大気の温度は有効放射温度と等しい. 表面温度の値 • このときの表面温度を見積もってみる. • 前の議論から, 有効放射温度は, Te 4 (1 A ) F S 4 255 [ K] 18 [ ℃ ] • ガラスモデルの表面温度は, Ts 4 24 (1 A ) F S 4 – だいたいこんなもの(?) 4 2 T e 303 [ K ] 20 [ ℃ ] 考え直してみると… • しかし, 考え直してみると問題に気付く. • 他の惑星にも当てはまる? – 例えば金星や火星は当てはまらないような… . • 原因のいくつか – 大気は一層? • 誰が一層だと決めた? – 大気は惑星放射を全部吸収する? • 仮定を緩めてみる. 次の温室効果モデル • 前の仮定：ガラスモデル – 一層の大気 – 太陽放射は大気を素通り – 惑星放射は大気に吸収・射出される • 今度の仮定 – 一層の大気 – 太陽放射は大気を素通り – 惑星放射は大気に一部吸収・射出される 大気が惑星放射の一部を透過する 場合 A FS FS (1 ) T s 4 T a 4 大気 Ts 吸収率 ＝ 射出率 4 T a 4 大気が惑星放射の一部を透過する 場合 • 太陽からエネルギーを受ける面積と惑星がエ ネルギーを出す面積を考えると, エネルギー のつりあいは, 大気 4 a T s 2 4 a T a 地面 a (1 A ) F S 4 a T a 4 a T s 2 2 4 2 2 4 4 2 4 大気が惑星放射の一部を透過する 場合 大気 4 a T s 2 4 a T a 地面 a (1 A ) F S 4 a T a 4 a T s 2 4 2 2 4 2 4 2 • この式を解くと, Ta 4 Ts 4 1 2 2 2 4 (1 A ) F S 4 (1 A ) F S 4 4 4 4 1 2 2 2 Te Te 4 大気が惑星放射を透過する場合 • 吸収率は 1 なので, Ts 4 2 2 Te Te • 大気が惑星放射を全部吸収しなくても温室効果が 働く. • 吸収率が大きくなると （大気中の吸収物質が増える と）, 表面温度は高くなる. – 今話題の温室効果ガスによる温暖化. 温室効果をもたらす気体 • 現在の地球において, 主要な温室効果ガス は水蒸気, 二酸化炭素, メタンなど. • 現在の大気の温室効果は, 約 6 割が水蒸気, 約 3 割が二酸化炭素による. 地表（黒）および大気上端（赤線）におけ る赤外線スペクトル（単位波長・面積・時 間あたりのエネルギー流出量）. 右枠の 数字は、晴天時（雲がない場合）での寄 与。（横畠 (2007): 「水蒸気の温室効 果」（CGERココが知りたい温暖化） http://www-cger.nies.go.jp/qa/11/112/qa_11-2-j.html より引用） 実際の惑星（地球）では どうなっているか? • ここまでに議論したことは, 簡単化した話. • 実際には, ここでは無視した様々なことが現 実の温度・温暖化に影響を及ぼしている. • ここからは, それらの効果の一部を紹介. 温室効果の簡単モデル 1 • 温室効果が働く場合（一番簡単な例） A FS FS T 4 a 大気 Ta T Ts 4 4 a 温室効果の簡単モデル 2 A FS FS (1 ) T s 4 T a 4 大気 Ts 吸収率 ＝ 射出率 4 T a 4 現実のエネルギー収支 （IPCC AR4 WG1 報告書(2007)より引用） 惑星のエネルギー収支 FS 今までは惑星全体の平均を考えたが, 実際には緯度によって違う. － 赤道は暑いが, 極域は寒い. 大気・海洋の運動による エネルギー分配 A, B のそれぞれの緯度での不均衡は海や 大気の運動による輸送によって解消. 地球大気の循環 • 大気の子午面循環? • 海洋循環? 海の循環 気候に影響を及ぼす様々な要素 （IPCC AR4 WG1 報告書 概要及びよくある質問と回答（気象庁訳）(2007)より引用） まとめ • 惑星大気のエネルギー収支 – 太陽 （恒星） からもらうエネルギーと出すエネル ギーのつりあいで考えられる. • 大気がある場合, 温室効果が起こる. – 温室を考えない場合, 大気温度を過小評価する ことがある. • 地球の場合数十度の過小評価 – 温室効果ガスが増えると表面温度が上昇. – 現在の地球で主要な温室効果ガスは水蒸気, 二 酸化炭素, メタンなど. 気候に影響を及ぼす要素の一部 • 先の図からもわかるように, 気候は様々な要 素が絡み合った結果として成り立っている. • いくつか取り上げると, 例えば, – 自然起源の気候変動要因 • 太陽エネルギーの変動 • 大規模火山噴火（成層圏エアロゾルの変化） 気候に影響を及ぼす要素の一部 – 人為起源の気候変動要因 • • • • 温室効果ガス（CO2、CH4など）の増加 成層圏オゾンの減少、対流圏オゾンの増加 対流圏エアロゾルの増加 土地利用など地表面状態の変化 近年の気候研究 • 現在の温暖化研究は, それら様々な要素を 考慮して行われている. – 研究方法は様々 • 観測 • 計算機シミュレーション – 気候モデル 温室効果ガスの観測 CO2増加の原因は 化石燃料の利用 CH4、N2O増加の 原因は農業活動 （IPCC AR4 WG1 報告書 政策決定者向け要約（気象庁訳）(2007)より引用） 近年の気候モデル研究 • 現在の温暖化研究は, それら様々な要素を 考慮して行われている. – その一例は, 気候モデルを用いたシミュレーショ 温暖化研究に用いられている数値 雲 ンに基づくもの. モデルで考慮されているプロセス 火山 （IPCC AR4 WG1 報告書(2007) より引用） 炭素循環 エアロゾル 雨 氷床 海の循環 地球の平均気温の変化予測 （IPCC AR4 WG1 報告書 (2007)より引用） Figure 10.4 実際の惑星（地球）では どうなっているか? • ここまでに議論したことは, 簡単化した結果. • 実際には, ここでは無視した様々な効果を考 慮し, 温暖化のシミュレーション・研究が行わ れている. • ここからは, 近年の温暖化研究の結果の一部 を紹介 惑星が出すエネルギー • 経験的に知っていること. – 熱いものは「熱そう」 • 熱いものに近づくと, 「もわっと」する – 温度が高いものほど「熱そう」 – 温度が高いものほどたくさんエネルギーを出して いそう. 惑星が出すエネルギー • 物理学によると, 物体が出しているエネル ギーは温度の 4 乗に比例する – ステファン・ボルツマンの法則（StefanBoltzmann law） – エネルギーを最も出しやすい物体 （黒体） が放 射するエネルギー F T 4 5 . 67 10 8 -2 Wm K -4 ステファン・ボルツマン定数 • 抜けていること – 短波と長波の違いを書いていない • プランク関数を書く? • 最初に入れるか. – 物体はその温度に応じた波長と強度の電磁波を放射しています。今 回は、その放射に関する法則について見ていこうと思います。 – ここで、話を簡単にするために入射してくる電磁波を全て吸収する 理想的な物体を考えます。このような物体のことを黒体と呼んでいま す。一般に、電磁波をよく吸収する物体ほど、電磁波の放射量も多く なるという関係(キルヒホッフの法則)があります。つまり、黒体はその 温度において、最大限の電磁波を放射する物体というわけです。こ の黒体の放射に関して、以下の法則が成り立ちます。 大気・海洋の運動による エネルギー分配 （Houghton (2001): “The Physics of Atmospheres” より引用） （IPCC AR4 WG1 報告書(2007)より引用） 放射平衡温度分布 • さらに仮定を緩めて, 温度の高さ分布を考える. • 前の仮定：ガラスモデル – 一層の大気 – 太陽放射は大気を素通り – 惑星放射は大気に吸収・射出される • 今度の仮定 – 一層の大気 – 太陽放射は大気を素通り – 惑星放射は大気に一部吸収・射出される • 今度の仮定 – N 層（多層） の大気 – 太陽放射は大気を素通り – 惑星放射は大気に一部吸収・射出される 温室効果 FS A FS T a 4 (1 ) T s 4 大気 T a 4 Ts 吸収率 ＝ 射出率 4 温室効果 FS A FS 大気 Ts 吸収率 ＝ 射出率 4 温室効果 (1 ) T s T a 4 4 FS A FS 大気 Ts 吸収率 ＝ 射出率 4 T a 4 気候変化に影響を及ぼす要素 • ここまでに議論したことは, “簡単な大気放射” と地面の吸収・射出を考えただけ. • 実際にはもっと様々な要素が関係している. – 雲, – 大気の運動, – 海の運動, – エアロゾル, – 人間活動 etc. 2. 気候システムとは？ 温室効果とは 温室効果ガスがない場合 -19℃ 温室効果ガスがある場合 14℃ 地球は太陽から受取るのと同じだけの放射エネルギーを射出 温室効果ガスがなければ、地上気温は-19℃ 温室効果ガスが地球からの熱放射の大半を吸収し、地球へと 放射し返すため、地上気温は14℃に保たれている 黒体放射 温度 T (K) の黒体表面の単位面積から単位時間 あたりに射出される波長 (m) の放射エネルギー e 5 hc kT 1 h = 6.6261x10-34 J/s ：プランク定数 c = 2.998x108 m/s ：光速 k = 1.381x10-23 J/K ：ボルツマン定数 黒体放射量 (MW/m2/mm) B T 2hc 2 T=8000K m T 2897 T T=4000K T=2000K 波長 (mm) 黒体とみなした場合の太陽放射と地球放射 （Salby (1996): “Fundamentals of Atmospheric Physics” より引用） 0次元放射平衡モデル S = 1366 W/m2 ：太陽定数 入射量 A = 0.31 ：アルベド 射出量 S 1 Aa = 4a T 2 2 4 e a = 6370 km ：地球半径 = 5.67x10-8 W/m2 ：ステファン・ボルツマン定数 Te 4 S 1 A 4 = 254 K ：放射平衡温度 大気の温室効果がない場合 FLW T 4 g FSW Tg 4 FSW Te 大気の温室効果がある場合 1 Tg4 FSW T 4 a Tg4 Ta4 ：大気の吸収率（＝射出率） 大気の温室効果がある場合 1 Tg4 FSW 大気中の放射収支 4 4 Tg 2Ta 0 Ta4 地表面での放射収支 4 4 FSW Tg Ta 0 大気温度 Ta 地表面温度 Tg 4 4 Ta4 T 4 g FSW 2 2 FSW 2 4 4 1 2 2 2 Te Te 大気の吸収率が大きくなると地表面温度も高くなる！ 温室効果をもたらすのは…. （横畠 (2007): 「水蒸気の温室効果」（CGERココが知りたい温暖化） より引用） 主要な温室効果ガスは水蒸気、二酸化炭素、メタン、など 現在の大気の温室効果は約6割が水蒸気、約3割が二酸化炭素 放射伝達方程式を用いた計算 （小倉 (1999): 「一般気象学」 より引用） 放射伝達方程式を用いた計算 （時岡ら (1993): 「気 象の数値シ ミュレーショ ン」 より引 用） 地球のエネルギーバランスの 模式図 （IPCC AR4 WG1 報告書(2007)より引用） 放射平衡と大気の運動 （Houghton (2001): “The Physics of Atmospheres” より引用） 気候システムの概念図 （IPCC AR4 WG1 報告書 概要及びよくある質問と回答（気象庁訳）(2007)より引用） 気候システムはサブシステム（大気、海洋、陸面など）とそれら の間の相互作用を含む 惑星が出すエネルギー • 経験的に知っていること. – 熱いものは「熱そう」 • 熱いものに近づくと, 「もわっと」する – 温度が高いものほど「熱そう」 – 温度が高いものほどたくさんエネルギーを出して いそう.