この実験について
大気がなければ、地球は約-18 °Cの凍った球体になっていたでしょう。太陽光は空気を通り抜けて地面を暖めますが、暖められた地面は赤外線を放出します。水蒸気や二酸化炭素などの気体はその多くを吸収し、一部を地表に向けて送り返します。この温室効果によって、地表の平均温度は約15 °Cに保たれています。エネルギーの流れをたどり、二酸化炭素を加え、反射される太陽光の量を変えて、地表温度が新たな均衡に向かって上昇する様子を見てみましょう。
学習目標
- 太陽、大気、地表の間における太陽放射と赤外線放射の流れを説明する
- 温室効果ガスがエネルギーを生み出すことなく地表を暖める仕組みを説明する
- 放射収支と、惑星が放射による放出エネルギーと吸収した太陽光が等しくなるまで温暖化する理由を説明してください
- アルベドと水蒸気フィードバックの役割を説明してください
- 二酸化炭素濃度が2倍になった場合に予想される温暖化を解釈してください
使い方
- 1大気をオフにしてください。地表温度は何度ですか？大気を再びオンにしてください。大気があることで地球はどれくらい暖かくなりますか？
- 2収支が釣り合っているときの矢印を見てください。地表に届くエネルギーと、地表から出ていくエネルギーが等しいことを確認してください。
- 3「2倍（560 ppm）」を選んでください。地表はどれくらい暖かくなり、どのくらいの時間がかかりますか？
- 4水蒸気フィードバックをオフにして、同じ操作を繰り返してください。温暖化のうち、フィードバックによるものはどれくらいですか？
- 5地球のより広い範囲が氷や雲に覆われている場合のように、アルベドを0.4に上げてください。何が起こりますか？
- 6二酸化炭素濃度を現在の水準に設定しましょう。1850年頃から観測されている1.2 °Cの温暖化と比べてください。
モデル
前提条件
- 単一の大気層が、地表からの赤外線のうち割合 ε を吸収し、自身の温度で同じ割合の赤外線を上下に放射します。太陽光はそのまま通過させます。
- 産業革命以前の CO₂ 濃度では、この層は赤外線の 77.9 % を吸収し、その結果、気温は 15 °C になります。CO₂ はこの割合を変化させ、標準的な放射強制力を生み出します。
- 水蒸気フィードバックは、気温が 1 ケルビン上昇するごとに赤外線の吸収をさらに 1 % 増やします。その結果、CO₂ が 2 倍になると約 3 °C の温暖化となり、気候科学の中心的な推定値に近い値になります。雲と氷はアルベドのスライダーでのみ表現されています。
- 熱容量は、約 100 m の深さの海洋に相当します。温暖化を何世紀にもわたって遅らせる深海は考慮されていません。
授業で試してみましょう
- Q1ステファン・ボルツマンの法則を使って、大気のない地球の温度が約 255 K になることを示してください。
- Q2なぜ温室効果ガスは地表を暖める一方で、上層大気を冷やすのでしょうか？
- Q3なぜ水蒸気フィードバックが二酸化炭素による温暖化を増幅するのか説明してください。
- Q4二酸化炭素の増加が止まった後も、なぜ気温は何年も上昇し続けるのですか？
- Q5海氷が溶けるとアルベド（反射率）が低下します。これは正のフィードバックですか、それとも負のフィードバックですか？説明してください。
よくある質問
温室効果はエネルギー保存則に反するのですか？
いいえ。地表は太陽光に加えて大気からの下向き放射も受け取るため、それらすべてを再び放出するには、より高い温度になる必要があります。大気圏の最上部では、地球が放出するエネルギー量は、吸収する量と依然として正確に同じです。
二酸化炭素の効果が対数的なのはなぜですか？
CO₂の主要な吸収帯の中央部はすでにほぼ不透明なので、ガスをさらに加えても、主に吸収帯の端が広がるだけです。濃度が2倍になるごとに、約3.7 W/m²というほぼ同じ放射強制力が加わります。
1層モデルはどの程度現実的ですか？
自然の温室効果の大きさと、CO₂濃度が2倍になったときの昇温をおおむね正しく示しているため、教育用モデルとして優れています。実際の気候モデルでは、多数の層、雲、海洋、氷を扱い、CO₂濃度が2倍になった場合の昇温を2.5～4 °Cの範囲と見積もっています。