温室効果、赤外吸収放射特集 09年3月時点での当サイトのまとめ

結論から言うと温暖化論者が想定しているようなすごい温暖化は無いです。まず温室効果の増大で地球温暖化が起きるためには
A.現状よりも地表への赤外線の放射が増す
B.地球の排熱を妨害し、現状よりも熱を逃げづらくする
温室効果ガスが増えることでこのどっちかでも起きないといけません。

そして温暖化論者が想定しているようなすごい温暖化は無いと見られる理由はひとまずこの3つ。
@.Aの地表への赤外線放射増加には上限があること
A.排熱のための実質的なエネルギーの輸送は放射によって行われていないこと
B.Aを含めて、温室効果ガスが排熱を妨害できないこと

温暖化懐疑論へのコメントなどを見ると分かりますが、温暖化論者は温室効果ガスが増えればどこまでも温暖化するような想定をしています(つまり地表への赤外線放射増加に上限がないということ・・・のはずなんだけど)。
赤外線吸収物質が増えれば赤外線をより妨げるようになりますから、普通に考えればどこまでも温暖化するという想定で問題ない、ので、冒頭のA,Bは特に気にせず、温室効果ガスが増えること、赤外吸収が増すことがそのまま温暖化に結びつく計算をしています。
08年の記事にも書きましたが、よくある「温度上昇は二酸化炭素濃度の対数に比例する」というのも、実は対数に比例して増加するのは温度ではなく赤外吸収です。

最近あちこち出てる?江守氏の説明。赤外吸収が増すほど地表への赤外線放射が増加するので温暖化という理屈。
放射強制力の計算(19ページ辺り)では温室効果ガスが増えれば赤外吸収率が増して、正の放射強制力に。
GWPの算出も、実際の温度上昇ではなくて赤外吸収能力、それと寿命や大気中濃度でもって計算します。


しかし、やはりすごい温暖化は無いとみられる。正確には温暖化懐疑論へのコメント江守氏の説明ではいわゆる赤外吸収の飽和以降も温暖化するとしているのですが、これが違う。飽和以降はやはり温暖化しないのです。 
まず、熱収支図を見ると分かりますが、大気の窓と雲からの放射を除けば、実質的に排熱を行っているのは対流を経由した上向き放射であり、地球放射は排熱をしていないのです。
  
AR4で出ている熱収支図などみると、大気に入った熱は全部一緒くたになっている(それ自体は問題ない)ため、絵的には390の地球放射のうち165が宇宙に放射され、伝導対流は排熱をしていないようにさえ見えてしまい、しかも伝導対流自体は宇宙への放射はできないわけなので、地球放射のうち透過してる分が多いかのように錯覚してしまいがちですが、そんなことはない。これは熱収支図で言う上昇温暖気流と潜熱(当サイトでは伝導対流とか対流と一くくりに読んでいるが)で上空まで熱を運んでそれから宇宙へ放射しているのです。地球には温室効果ガスに遮られない熱の逃げ道がある。

当サイトでは08年、大気から地表へたどり着く放射はないものと書いたことがありますが、うん。さすがに間違いでした。地表への放射はあります。ただし、大気中の実質的なエネルギーの移動が放射によって行われるわけではないのです。
これはひとえに地球大気が局所熱力学平衡(LTE)であるからです。地球大気は基本的には熱力学平衡(早い話が吸収率=射出率)になっていないんだけど、高度40km以下では、熱力学平衡が成立しているとみなすことができてしまうのです。
局所熱力学平衡では、分子衝突による励起・脱励起過程が支配的になるために放射源関数がプランク関数で近似することができる」ようになり、その結果、赤外活性分子による大気放射が近似的に黒体放射スペクトルを描くことができるようになる。そうして吸収率と射出率がイコールになるキルヒホッフの法則も成り立ちます。
さて、当然ながら大気からの放射はあるわけです。しかもちゃんと吸収率=射出率になってます。観測もされています。しかし忘れてはいけないのが、エネルギーのやり取りは空気分子の衝突で行われること。

いざ放射すればその放射は黒体放射スペクトルを描くこともできますが、分子衝突による励起・脱励起過程が支配的である以上、放射の頻度は当然少ないです。しかも下層大気に於いては水蒸気や二酸化炭素といった温室効果ガスが多く、せっかく放射してもすぐまた吸収されてしまいロクに飛ぶことができません。放射があることと放射によって実質的にエネルギーが移動できることは違うのです。
赤外活性物質があるのが地表近くであれば、下向き放射は温室効果ガスに遮られずに地表にたどり着けるでしょう。熱収支図によるとその下向き放射は既に地球放射の8割程にもなり、実質的に雲や大気の窓を除けば地球放射は排熱をしていないのです。
これは大気放射は近似的に黒体放射スペクトルを描くわけだから、吸収して再放射というよりは、大気温度なりの放射がたまたま地球放射の8割相当のエネルギーになると言った方がいいかもしれません。
もっともどのみちそういう具合になるためには局所熱力学平衡が成り立っていて、地表からの赤外線の多くを吸収した後、さっさと放射してしまわず分子の衝突が起こることで大気を加熱してくれないといけませんが。

では、対流を経由した上向き放射とは? まあ暖まった軽い空気が上昇するわけです。熱収支図で言えば「潜熱」と「上昇温暖気流」の部分。これは地表からのエネルギーが赤外線ではなく熱、分子の運動という形になるため、温室効果ガスに邪魔されずにエネルギーを輸送し、ちょうど温室効果ガスが薄くなる高度、いわゆる放射代表高度まで上昇してから放射します。
なんだか都合が良すぎる気もしますが、既に書いたように放射の頻度自体少ないし、放射したって温室効果ガスが濃ければさっさと吸収されてしまう上に分子衝突が支配的である以上、放射するよりかは分子衝突から空気の加熱に回されます。せいぜい温室効果ガスの薄い高度へ行くまで放射はあっても放射で熱を逃がすことはできないまま上昇するしかないのです。
むしろ温室効果ガスが濃いおかげで上手いこと対流上昇することができるのです。もしすぐに放射してしまうとしたらそれはつまり温室効果ガスが薄いのであって、どのみち赤外吸収と地表への下向き放射もそれなりのものに留まります。

そして対流圏界面あたりで放射。放射は上でも下でも全方位に向かって行われますが、温室効果ガスは下ほど濃いわけで、元々その濃い温室効果ガスを赤外線、それも地球放射ほど強いのが通り抜けられないからわざわざ対流で輸送したわけなので、高層から下向き放射があっても地表に届くことはなく、結局は全て宇宙へ放射、排熱されます。
どうも温暖化論者は単に下向き放射があるってだけで温暖化とみなそうとしますが、下を向くだけではダメで、実際地表に届かないと温暖化してくれません。
温暖化懐疑論へのコメント江守氏の説明など見ても、飽和以降温暖化しないということに対する反論は、単に赤外吸収の余地がある、大気からの放射を温室効果ガスが再度吸収する、くらいしか書かれていません。つまり飽和以降も赤外吸収があるという主張であって、飽和以降も温暖化するという主張はそもそもしていないのです。最もあちらとしては赤外吸収=温暖化とみなしますから、それで温暖化を説明したつもりなのでしょう。


しかしそれでも、対流を経由した上向き放射までも温室効果ガスに吸収されるようになったら、高層からの放射が地表に直接届かなくても、放射が妨げられることで排熱が滞れば、温暖化するような気もするけどこれがやっぱりしない。
これは温室効果ガスが増える(光学的厚さが増す)と、ご丁寧に対流の及ぶ範囲まで上に広がること、そして放射代表高度が上がっても宇宙へ放射するエネルギーは減らないことによります。

光学的厚さが増した場合、放射代表高度が上がりますが対流の及ぶ範囲も上に増すことになります。
それまで赤外吸収がなくて放射エネルギーを空気の熱に回すことができなかった故に成層であった層で赤外吸収が増します。
局所熱力学平衡下なら、赤外吸収が増した時空気を加熱するわけですが下の層より気圧は低いのでどうがんばっても下の層よりも低温になる、つまり温度勾配が出来上がります。対流で上昇してきた熱は赤外吸収が増した分だけ放射での熱の損失もなくなり、従来よりも上の層まで上昇してから放射するようになります。
成層圏は、実質的に赤外吸収がなく放射フラックスが一定であるからこそ高度による気温差が無い成層になります。そして鉛直温度分布の図を見ても分かるようにこの成層圏と対流圏はくっきり分かれ、赤外吸収が増しただけ対流の高度も上がります。
温室効果ガスは下ほど増加率が高く、高層で変に増えて赤外吸収ばかり増すということもありません。


そして放射代表高度が上がっても宇宙へ放射するエネルギーは減らないことについて。温暖化論者はこれを減るものと、それゆえに温暖化するものと説明しています。
温室効果物質が多いということは、赤外線に対して大気がより不透明だということだ
から、赤外線で宇宙から見えるのはより外側、つまりより高いところになる。つまり、放射の代表温度をもつ高さは温室効果物質が多いほど高くなる。したがって、温度勾配が一定ならば、
地面付近の気温は、より高くなる。これは真鍋による次の有名な温室効果の説明に他ならない
(例えば真鍋 1985)。図12 において、地球の出す放射の代表温度がTe で、太陽から受け取る放射とつりあっているとする。実線の温度分布ならば、図12 のA が放射を出す代表位置であ
る。ここで大気が赤外線に対してより不透明になったとすると、放射を出す代表位置がA'に変
わる。ところがこれでは地球が出すエネルギーが受け取る太陽エネルギーより少ないので、地
球(大気・海洋)が暖まっていく。A'の高さの温度がTe となる破線の温度分布まで大気全体が
暖まって、地球のエネルギー収支がつりあうことになる。

地球温暖化懐疑論へのコメント ver2.4

しかし、散々説明したように地球大気、特に対流圏の実質的な熱輸送は伝導対流によって行われます。それも放射代表高度まで減退することなく、です。
いわゆる真鍋モデルでも、この熱輸送は温度減率に応じて対流が生じても関係する部分の全熱量は保存され、熱は下層から上層へと伝達されるように作られています。そういうわけで上向き排熱放射が有効になる高度まで対流上昇して問題なく宇宙へ放射できるわけですが、しかし温度が下がれば放射エネルギーは減るはずですよね???

全熱量を保存して上まで持ってきているのに高度が上がるほど気温が低くなるのは、気圧が下がって膨張して空気とそれが持ってるエネルギーの密度が下がるからであって、エネルギーがどっかへ消えたからではありません。
シュテファン=ボルツマンの法則は、黒体の表面から単位面積、単位時間当たりに放出される電磁波のエネルギー I が、その黒体の熱力学温度 T の 4 乗に比例するという物理法則であります。そういうわけでプランク分布、ニンバス衛星観測にみられるような単位面積あたりの地球放射スペクトル図を全波長積分したとき、放射温度が下がっているのなら放射エネルギーも減ります。単位面積あたりの放射エネルギーがね。
放射代表高度が上がり気圧も下がれば放射する面積全体は広くなっています。当然単位面積、1uあたりの放射は確かに減るし気温も下がります。でも放射代表高度まで全熱量が保存されて下層から上層へ伝達されるわけですから、エネルギーは減退していませんよね。広く薄くなっただけ。

(右画像はリンク先に説明用Flashを仕込んであります)
だから、さっきの光学的厚さが増すことで温度勾配が新たに出来上がり対流の範囲が上に増す説明も別におかしくないのです。
さっきの説明だと成層圏が新たに加熱されるのに、よりによって気温が下がるなどと言っており変だと思うかもしれませんが、対流圏で気温が下がるのは気圧が下がったからであり、エネルギーは減っていないのだからこれでいいのです。むしろ気温が上がる方がおかしい。
さっきの説明だと対流の範囲が上に増すことで成層圏の気温も下がることになりますが、これまたエネルギーの密度が下がっただけなので別におかしくないです。
まあそんなに小難しい説明をする以前に、熱が上に移動しただけでエネルギーが減るわけがないのです。

(真鍋モデルの概要を見る限り対流熱輸送はちゃんと考慮してるわけだから、なんで1985年の解説で対流の起きない対流圏を想定しているのか、真剣に謎。)


でも、放射で逃げるはずだったエネルギーが対流で逃げることになれば、温室効果ガスに阻まれないなら放射で排熱する方が早いのだから、対流の高度が増すとしたらなんというか排熱するスピードが遅くなって、そのうち熱を逃がしきれなくなって、地表温度を上げて地球放射を強めるしかなくなるのでは、と思いきやそうはならない。
対流の高度が増せば最終的に放射で熱を逃がすまでの時間も延びますが、気層から放射されるまでの時間が延びるだけで、地表から気層へ時間毎に移動する熱量は変わりません。時間毎に逃がすべき熱量をちゃんと逃がしていれば、排熱に時間がかかるようになったとしても排熱が妨げられてはいません。これについてはFlashを仕込んでおきました。clickをクリックして進めてください。



地表への赤外線放射増加には上限がある、いわゆる赤外吸収が飽和する、そして現在既に飽和に近いということについては、当サイトでも結構書いていますし、温暖化論者も理解していたはずです。
地球放射が温室効果ガスで吸収されたあと熱にもならず地表にも返らず宇宙へ逃げるとしたら、それは透過しているということです。地球大気は温室効果ガスが濃く、また局所熱力学平衡ですから気層間の実質的なエネルギーの移動は伝導対流で行われます。吸収の弱い波長帯でもなければ今更透過が多いということはないでしょう。また、赤外吸収放射が複数回行われるような説明もありますが、局所熱力学平衡である以上吸収した赤外線が空気を加熱せずいつまでも赤外線のまま吸収放射ばかり繰り返すということも無いはずです。まともに空気を加熱できないとしたらそもそも地表温度の8割相当の下向き放射というやつを出すことができません。
 
熱収支図では「雲というオブジェクト」、雲や大気やエアロゾルもいっしょくたなものから上にも下にも赤外放射していますが、温室効果ガスが濃く、地表への下向き放射が既に十分多いから地球放射では排熱しきれず伝導対流を経由した上向き放射という形を採っているのであり、赤外吸収の余地が多いことを示しているわけではありません。
雲からの上向き放射まで透過と呼んだとしても、雲の上の温室効果ガスで吸収して下向き放射が雲を突っ切って地表に届くというのは考えにくいです。あるいは温室効果ガスが増えれば吸収はしますから「吸収の余地」ではありますが、地表への赤外線放射を更に増加させられる分が多いわけではないということです。

また、温暖化論者の主張は『温暖化の発見とは何か(ワート2003)』などにみられるように下層は既に飽和していて、しかし吸収が未飽和である高層では赤外吸収が増す余地があり、これが温暖化をもたらすということだったと思います。少なくとも飽和に近いと呼べる状態であり、今更下層で透過している分を二酸化炭素が吸収できる余地が多いということはないはずです。

大体このくらい書けば温暖化論者が想定しているようなすごい温暖化は無いと見られる理由@ABを説明できたと思います。
@.Aの地表への赤外線放射増加には上限があること
A.排熱のための実質的なエネルギーの輸送は放射によって行われていないこと
B.Aを含めて、温室効果ガスが排熱を妨害できないこと


付録:GWPについて

よくメタンの温室効果は二酸化炭素の23倍だの、フロンは数千倍数万倍だのと喧伝される地球温暖化係数(GWP : GlobalWarming Potential)
これのおかげで、温室効果ガス削減事業に於いては、単純計算すればメタン削減なら同量の二酸化炭素削減の23倍、フロンなら数千倍数万倍の儲けを上げることができるわけです。もちろん温暖化予測でも、GWPに基づき少量の増加でも高い温度上昇をもたらすように計算されます。
しかし考えてみれば、わざわざ既に飽和気味で温室効果の余地が少ない二酸化炭素と比べれば、他の物質の温室効果が高く見えるのは当たり前です。二酸化炭素より高いのは分かるとして、温度上昇自体が大きいものなのでしょうか?

地球温暖化係数(GWP)は対象物質の[瞬時放射強制力]と[大気中濃度]の積を時間積分し、CO2の同様の値で割った値と定義されている。
ここで、[瞬時放射強制力]とは対象物質が赤外線を吸収することで気候を変えようとする作用のことであり、気候が平衡に達した時の地表気温の変化と対応する量であるとされている。この量の計算には赤外光吸収の実測データを使用している。
http://www.shse.u-hyogo.ac.jp/kumagai/eac/echem/gwp.htm


冒頭でも紹介しましたが、GWPは温度上昇ではなく赤外光吸収力で計算しています。赤外光吸収力の比較であって温度上昇の比較ではないのです。メタンは二酸化炭素の23倍の、フロンは数千倍数万倍の赤外光吸収力があるだけなのです。(寿命・濃度・吸収余地から見て)
散々書いたように赤外吸収の飽和以降は温室効果ガスが増し赤外吸収が増しても温暖化には結びつきません。当然二酸化炭素もそれ以外の温室効果ガスにも温室効果の上限はあり、温暖化論者が想定している飽和以降の温度上昇を取っ払えば温度上昇はもっと少なくなります。
また、二酸化炭素以外の温室効果ガスは二酸化炭素に比べてずっと量が少ないです。これが各種温室効果ガスのGWPを押し上げますが、これは現在の濃度で比べた場合なので、例えばメタンがもっと増えれば、GWPの数値は下がることになります(つまりがんばってメタン削減を進めるとメタンのGWPは上がる)。
GWPはフロンの温室効果が二酸化炭素の数万倍だから二酸化炭素と同じ濃度になれば数万度の温暖化になる、というものではないのです。


付録2:金星について

金星は二酸化炭素が地球の25万倍以上あり、地表温度460℃(733K)にもなります。なんて言うとものすごい温室効果が働いていそうですが、よくよく見ると二酸化炭素が地球の25万倍もあるのに温度は地球の2.5倍程度にしかなっていません。あるいは温暖化論者の想定(正しいかどうかは別として)に従い、二酸化炭素濃度の対数に比例して温度が上がるとすると、二酸化炭素2倍で約3℃、二酸化炭素30万倍で60℃程度です。
金星の温度が高いのは気圧が地球の100倍近くもあるからです。

似たような?例としてペットボトルとかフラスコとかポリ袋とかを用いた二酸化炭素温暖化実験があります。一方の容器に空気を、もう一方に二酸化炭素を入れて密閉して、太陽に見立てたランプの光などを当てて温暖化するのかなと、実験するわけです。
この手の実験は容器の吸収特性、太陽光や赤外線に見立てたランプの放射特性、二酸化炭素投入量が不明だなどという例が多く、そもそも意味があるものなのかというレベルだったりしますが、
それでもわざわざ見世物としてやるからにはなんだかんだで二酸化炭素を入れた容器の方が温度が上がります。
しかし実際の空気には二酸化炭素が380ppm、0.04%程度が入っているわけですが、二酸化炭素を封入しようってなったとき、例によってボンベのやつをシューっとやっちゃうんですよね。当然0.何%とか微妙な量になんかならず、現在の二酸化炭素濃度の2倍3倍どころか、気圧が変わっちゃうんじゃないかくらいの二酸化炭素を封入しちゃうわけです。
ここだと100万ppmこれだと20万ppmといった具合。いくら工業化が進んだって実際の地球でこんなに二酸化炭素濃度は上げられません。
で、100万だの20万だのと景気よく二酸化炭素を封入してやったのに、ただの空気を入れた容器と比べて、1℃程度しか気温が変わっていないのです。結局二酸化炭素の温室効果はその程度のもんだということを示す実験になっちゃってます。
こういうのについてはこちらのサイトに詳しいのでご覧下さい。「地球温暖化を検証する!」を検証する

温室効果って現象があることと温室効果の放射強制力が高いことは違うんだと思いつつ戻る

 

 

今頃気付いたけど放射代表高度って言い方ホントはしないだろ。

 
 

 

そうなのよね。まあ、言葉の意味はそんなに間違ってないだろうから、もうなんかあのままでいいや。うん。