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温室効果の理解と宇宙気候学の進展

大気中の赤外活性分子による「温室効果」を理解したいと思っている人は少なくないと思う。しかし、世間一般に流布されている温室効果の説明に満足できるものはほとんどないといっていいだろう。なぜなら、物理学の基礎である熱力学の第二法則を無視した説明が平然とまかり通っているのが現状である。そこで、私はこれまでに「Gerhard Gerlich et al. (2007)」のレポートを二回にわたって紹介した。


解き放たれたアレニウスの呪縛
理論物理学による温室効果に対する反証


Gerlichらのレポートは最近になって総説(Review Paper)として物理学雑誌に受理されている。


"Falsification Of The Atmospheric CO2 Greenhouse Effects Within The Frame Of Physics"
G. Gerlich and R. D. Tscheuschner, Int. J. Mod. Phys. B, 23, 275-364 (2009)


論文の内容についてはプレプリントではあるが、次のサイトにpdfとして配布されている。


http://arxiv.org/abs/0707.1161


総説を読みこなすのは大変なことだが、時間のある人は一読してみるといいかもしれない(たとえば、気候モデルでは大気の熱伝導率をゼロとおくことが慣習となっていることなど、ほとんどの人は知らなかったのではないかと思う。)。温室効果の理解の助けになる日本語のサイトとしては、近藤邦明氏の「総括 気温変動と大気中CO2の関係」、「『温室効果・再放射』再考」などがある。私は大気からの「再放射」という言葉によって、温室効果の理解を間違えたことがあります。言葉の不十分な定義は無用な混乱を生じさせます。


私が温室効果に対してもった初期のイメージとしては、比熱が生じるメカニズムをミクロな視点で考えることで、そのアナロジーとして地表と大気の間で付加的な保温効果が生じるのだろう、といったことを考えました。比熱は物質の持つエネルギー準位によって規定されます。しかし、あまりにも高いエネルギー準位は比熱に寄与しません。水蒸気や二酸化炭素は、調度、赤外領域にエネルギー準位を持っており、その放射によるやり取りに注目したものが温室効果ではないかと考えました。


結局のところ、地表から大気(あるいは宇宙)への放射の条件と、上層大気から宇宙への放射の条件のみに注目すれば、後のエネルギーのやり取りは余り考慮する必要性を感じませんでした。つまり、地表放射に対しては、大気の窓を閉める余地があとどれくらい残されているのだろうか。大気上層に関しては、局所熱力学平衡にある大気高度と、非局所熱力学平衡にある大気高度で、光学的厚さの増加に対する放射の振る舞いに違いがあるのではないだろうか、といったことです。


大気の窓は雲によって開閉されます。「アイリス仮説」によれば、熱帯の気温が一定に保たれている原因として、雲がアイリスの「絞り」のように開閉し、放出するエネルギーを調整しているのではないかと考えられています。この効果は放射平衡温度の見積もりにどのように寄与するでしょうか。また、海洋や対流の重要性も忘れてはなりません。さらには、霧箱の原理を地球大気に当てはめたスベンスマルク効果があります。宇宙線や太陽活動を含めた研究は、「宇宙気候学」といった分野で行われています。


宇宙線はオゾンホールとの相関も指摘されています。さらには宇宙線が生命進化などにも影響を及ぼしてきたのではないかとの説もあります。点と点を結ぶことで、おぼろげながら見えてきたことがあります。私達は来たるべきパラダイムシフトの瞬間に立ち会っているのかもしれません。


"Correlation between Cosmic Rays and Ozone Depletion"
Q.-B. Lu, Phys. Rev. Lett., 102, 118501(2009)


" From galaxy to genome: A perspective on snowball Earth and Cambrian explosion"
Shigenori Maruyamama


"Models on Snowball Earth and Cambrian explosion: A synopsis"
S. Maruyama and M. Santosh, Gondwana Research, 14, 22-32 (2008)


再放射の定義と線スペクトル

温室効果の説明でなされる「再放射」という言葉は、非常に誤解を招きやすい言葉だと思います。そこで、ブログのコメント欄で述べたことを再掲します。科学では用語の定義について厳密に行う必要性があります。温室のアナロジーから生じた「温室効果」という言葉も、非常に誤解を招きやすいものです。


励起経路には主に二通りあると考えられます。ひとつは赤外光を吸収し、振動励起状態になる過程です。もう一つは分子衝突により振動励起される過程です。「再放射」の定義を前者の過程としますと、私の見積もりですとCO2の変角振動励起状態からの再放射の割合は0.3%です。残りの99.7%は無放射的に振動基底状態へと失活するものと考えられます。
http://feliscatus.blog77.fc2.com/blog-entry-70.html


一方、「再放射」の定義を後者の過程としますと、放射の量子収率自体は0.3%と変わりませんが、絶えず衝突により励起されていますので、正味の放射強度としてはその温度におけるプランク関数に漸近していくものと考えられます。それは黒体放射スペクトルではなく、線スペクトルになります。たとえば、大気放射スペクトルの観測結果によると、それぞれの赤外活性分子の吸収スペクトルと同じ波長領域から大気放射が起こっていることが分かります。
http://www.nsf.gov/od/opp/antarct/ajus/nsf9828/9828html/graphic/la-154.htm

お詫びと訂正:大気からの再放射の解釈について


温室効果の観測

「再放射」という言葉は誤解を受けやすく、曖昧な印象も受けます。そこで、大気中における赤外活性分子から地表へ放射される「大気放射」のことを「再放射」と取り合えず定義してみましょう。これは実験的に観測することが出来ます。つまり、赤外活性分子の増加によって、どれだけ大気放射が増加しているのかを観測すれば、再放射による昇温効果の寄与をある程度の定量性を持って評価することが出来るようになるものと考えられます*。


自然現象は複雑です。気候感度を求めるには単純なモデル計算よりも、直接、自然を観測した値を用いる方がはるかに妥当であると考えられます。しかし、IPCCが用いる気候感度は観測データを無視し、シミュレーションにより求められた机上の空論に基づいたものです。観測データを蔑ろにしたままで、地に足の着いた議論が果たして出来るでしょうか。


黒体放射

今回紹介した論文の中でGerlichらはシュテファン・ボルツマン定数が普遍定数ではないこと示しました。プランク自身は自分の導いたプランクの放射則の誘導に満足していなかったようです。式の誘導はアインシュタインなどによっても行われています。そこで、それらの物理学の基本定数における議論を踏まえたプランクの放射則における次元定数の求め方について述べたレポートを紹介します。


"Planck’s blackbody radiation law: Presentation in different domains and determination of the related dimensional constants"
Gerhard Kramm, Nicole Mölders, 2009


* 大気放射で分かるのは、大気の(放射)温度を測っているということだけです。熱の移動が大気から地表へ起こっているわけではありません。

theme : 宇宙・科学・技術
genre : 学問・文化・芸術

comment

Secret

「再放射」がありだとして

お久しぶりです猫田です。

◆結局「再放射」があることがはっきりしたわけですが、局所熱力学平衡ではエネルギーのやり取りが主に空気分子の衝突で行われる上に、下層大気は温室効果ガスが濃く、せっかく放射してもすぐまた吸収されてしまいます。放射があるにはあっても気層間の実質的なエネルギーの移動は放射によって行われず、熱収支図のように地球放射が強いにもかかわらずほとんど「再放射」で地表に返され(地表面に近ければ温室効果ガスに再吸収される前に地表まで照射できるので、対流下層の温度に応じた再放射が地表に来る)、実質的に排熱をしているのは大気の窓による放射+雲からの放射+潜熱と上昇温暖気流を経由した対流上層からの放射になるのでしょう。

◆ちなみに今更で申し訳ありませんが去年紹介していただいたこの資料について。
http://kagi.coe21.kyoto-u.ac.jp/jp/seminar/2005/reports/051221a.doc
これは1番目の図で対流圏は加熱率と冷却率のトータルが冷却に偏ることになり、その分地水面からの蒸発や上昇温暖気流で対流圏に熱を供給しているという、解釈のようです。やってることは熱収支図と同じです。二酸化炭素が増えた場合も、「再放射」がまず地面を温めて、それによって蒸発や上昇温暖気流が増して気層の温度も上がると言うわけです。
そう、「再放射」が地表に届けば。

一応私のほうでも温室効果についてまとめてみましたので、URL欄からどうぞ。

マクロでとらえる流体の伝熱過程

猫田さん、お久しぶりです。
温室効果の計算について西村肇氏が行っていますが、2000m以下の大気を地表に含めるという大胆な仮定を行っていますね。これも、どこで温室効果が重要になってくるかという問題意識からきているように思います。以下に一部引用します。

「常識的には地表から1万mまでを大気とするのでしょうが、私は2000m以上を大気とし、2000m以下の低層大気は地表に含めました。そうした理由は、地表と低層大気との熱の授受は、放射伝熱によるよりも蒸発と降雨の潜熱移動によるものが大きいからです。」

ほんとうはどうかCO2による温暖化
http://jimnishimura.jp/tech_soc/chem_today0802/08_02.html

>熱帯の気温が一定に保たれている原因として、雲がアイリスの「絞り」のように開閉し、放出するエネルギーを調整しているのではないか
水蒸気も関係しているのではないでしょうか?
下記の二点を結びつけるとみえてくるのでは?
・最近のニュースで、冬場に東京タワーがはっきりみえる日数が増えている。(富士山の見える回数は変わっていない。)
冬場の都市ヒートアイランド現象で、水蒸気が上空に飛ばされて、空気が乾燥したのが原因と推定していました。
http://wattsupwiththat.com/2009/03/30/lindzen-on-negative-climate-feedback/
海表面温度ー衛星測定の赤外線放射量のグラフ

衛星測定の海表面からの赤外線放射が大幅に増加していても、海表面温度は大きくは上昇していない。(エッセイではネガティブ クライメイト フイードバックと言っていますが)

熱帯の海表面近くの大気の温度が上昇してくると、含んでいた水蒸気が上空に飛ばされて、
海表面からの赤外線放射が遮られなくて、いわゆる放射冷却現象が起きるのではないでしょうか?
(地球外に飛び出す赤外線放射量は増える)

それを温室効果に含めてはいけない

◆単なる赤外吸収は地表温度と太陽入射から計算して吸収率0.6~0.7位であり、つまり赤外吸収の余地も0.3~0.4位あります。
しかし赤外放射のうち、熱収支図に見る対流を経由した上向き放射(29)及び雲からの放射(12)は、更なる温室効果ガス増加で赤外吸収することはできても、下向き放射が地表に届かないし排熱を遮らないので、温室効果は起こりません。
具体的になぜなのかは、私のサイトに書いておきました。いわゆる「赤外吸収飽和以降の温暖化」はないのです。理論的には。 


◆大気放射の観測によって、『二酸化炭素による温度上昇傾向』を捉えられるんでしょうか?
温室効果が原因でなくても温暖化すれば水蒸気も増すわけだから、単に赤外放射が増えただけでは判断できません。大気放射のうち二酸化炭素の吸収波長帯の赤外線が増加しているかどうか。しかし二酸化炭素の吸収波長帯であっても水蒸気と重複しているし、大変そうです。

自然のもつフィードバック機構

期待人さん、コメントありがとうございます。
ヒートアイランド現象で水蒸気が上空に飛ばされるというのは、ヒートアイランドによって対流活動が盛んになり、その結果、強い風が吹き上空に飛ばされたということでしょうか。アイリス仮説では、下記のような説明がなされています。


「雲の水蒸気粒の多くは雨粒となり、雲の中で氷結晶として残るものは減る。結果として巻雲の範囲は減る」。冷たい巻雲は日よけにはならないが、断熱機能は高い。巻雲面積が減ると、大気から出て行く熱エネルギーが増えるので地球は冷える。
フレッド・シンガー、『地球温暖化はとまらない』、東洋経済社、p107


熱帯と冬場の日本では必ずしも同じように水蒸気が振舞うとは限らないと思います。ただ、いずれも(温度の上昇が水蒸気の増加による更なる昇温をもたらすとされる)水蒸気フィードバックが単純には成り立たっていないことを示していると思います。
 

期待人さんの紹介されたHPによると、リンゼン氏は、実際の気候は強いネガティブ・フィードバックに支配されており、CO2増加による気候感度は0.3℃のオーダーであり、自然変動による揺らぎと区別がつかないとの見解を示していますね。


The earth’s climate (in contrast to the climate in current climate GCMs) is dominated by a strong net negative feedback. Climate sensitivity is on the order of 0.3°C, and such warming as may arise from increasing greenhouse gases will be indistinguishable from the fluctuations in climate that occur naturally from processes internal to the climate system itself.
http://wattsupwiththat.com/2009/03/30/lindzen-on-negative-climate-feedback/

>ヒートアイランド現象で水蒸気が上空に飛ばされるというのは
近傍の大気が過熱昇温されて、軽くなって上空に行き、地海表面近傍の大気中の水蒸気が減り、そのため、地海表面からの赤外線放射が捕捉される割合が減り大気から出て行く熱エネルギーが増えるのです。(熱帯の場合も過熱昇温時には同じではないでしょうか)
「巻雲は日よけにはならないが、断熱機能は高い。巻雲面積が減ると、大気から出て行く熱エネルギーが増えるので地球は冷える。
巻雲のかわりに、水蒸気と書き入れれば水蒸気が同じ役割をするのではないでしょうか。
>negative feedback
以前にご紹介頂いた下記文献にあるように、水の性質(雲、水蒸気、co2からの赤外線放射をほとんど吸収しない、黒体に近い赤外線放射をして、地
海表面は冷却する。湿っている場合は地面も)が大きな役割をになっているように読み取れました。
太陽光(SW)が活発にならなければ、海表面の温度は上がらない?
(CO2の濃度が上がりCO2の赤外線放射量が増加しても、水分の吸収する赤外線放射量は非常に少ない)
気候感度は0.3以下で、実際にはもっとずっと小さいと思うのですがーーーー。
ご紹介頂いた西村先生の式は、放射平衡が成立すると仮定している?
実際には全然成立していないわけですから、
気候感度1~1.5℃から
実際にはどのようになるか?

http://www.warwickhughes.com/blog/?p=87

For A = 5000 cm-1 at 15 microns, the implied water emissivity is 0.9998 implying that, of the incident radiation, only 0.02% of it will ultimately be absorbed in the water. The emitted radiation will closely follow a blackbody emission curve whereas the incident flux from carbon dioxide is confined to a band centered at 15 microns. The implication of this is that much of the radiation emitted will escape directly to space through the IR windows, so it could be viewed as a negative feedback. About 40% of the energy will escape this way. Alternatively, this mechanism implies that climate will be less sensitive to greenhouse gas warming than it would be to an equal solar radiation forcing. In addition, there are many moist areas over land and clouds are also moist, so this negative feedback or reduction in climate sensitivity is also operable nearly everywhere.

温室効果の上限

猫田さんへ


「再放射」は定義の曖昧な言葉ですので、私としては「再放射」という言葉を使わず、大気放射を用いて温室効果を表現した方がよいと考えています。温室効果の飽和の問題に関しては、やはり実測に基づいた方が話が早いと思います。


私は「水蒸気フィードバックと気候感度の妥当性」で、大気放射など様々な観測を行い気候感度を約0.4℃と見積もっている、S. Idsoの論文を紹介しました。
水蒸気フィードバックと気候感度の妥当性
http://feliscatus.web.fc2.com/estimate.html


Idsoはその論文の中で、Smagorinsky et al. 1982による値(0.45℃)なども比較検討しています。また、他の論文中で、Idsoは「地球大気の温室効果に対する上限」についても見積もっています。その論文から一部抜粋しますと


『the ultimate surface temperature change which would occur if Earth's atmosphere were somehow transformed into a perfect blackbody radiator and its emittance increased to 1.00.』


Earth could be no more than about 4.5 ±0.5 K without drastic changes in the planet's albedo or atmospheric mass.


An upper limit to the greenhouse effect of Earth's atmosphere:
S. B. Idso, Theor. Appl. Climatol., 40, 171-174 (1989)
http://www.springerlink.com/content/x38045230k050325/


これは地球の雲や地表や大気量に顕著な変化がない条件下において大気の射出率が1になったとき、最大で4.5Kの昇温が見込まれるとのことです。これが温室効果の上限ということになります。つまり、CO2がたとえ現在の10倍になったとしても大気の射出率が1になるということはありませんので、CO2の増加による昇温効果は非常に限定されたものになると考えられます。一方、高い水蒸気圧や厚くて広い雲量のとき、射出率は1に近づくことができます。これは冬場の夜間など、放射冷却を防いでくれる曇りの日などで実感しやすいことですね。

慧眼

期待人さん、猫田さんへ


ところで、西村肇氏は、『水俣病の科学』などで著名な方のようですが、システム工学の大家でもあるようです。川島博之氏の『「食糧危機」をあおってはいけない』という本には、システム工学的な見方の大切さが説かれており、環境問題などを考えるにあたって参考になるかもしれないと思いました。


私は、西村氏が温室効果を見積もる上で行ったような大胆な仮定に脱帽しました。私はどうもミクロな原理や分子論的な興味の方をより好む習性があるようで、マクロで本質を捉えるという数学的センスに欠けているなと実感しました。本質を見抜ける西村肇氏や槌田敦氏のセンスがうらやましいです。最後に西村氏の発言で興味深いなと思ったページを紹介します。なんだか、私には昨今のコンセンサス主義の無意味さを説かれているように感じました。
http://www.nhk.or.jp/bsdebate/0502/guest.html

不当に高まる気候感度

TheorySurgeryさん


◆結局大気の窓からの放射をふさぐ分しか温暖化の余地はないんですよね。温暖化論者としては射出率が1になったとしても、更に二酸化炭素が増えれば大気からの上向き放射を吸収するというわけですが、下向き放射が地表に届くことや対流も含めた実質的な排熱を妨げるという肝心なところが抜けているので、単に『高層の二酸化炭素が赤外吸収放射をする説』にしかなっていない。飽和以降の温暖化というものを説明できていないのです。赤外吸収=温暖化ではありません。
地球温暖化係数(GWP)に基づく「その他の温室効果ガス」による温暖化も、温度上昇ではなく赤外光吸収力の数値であり、無いはずの『飽和以降の温暖化』を含んだ数値になります。
二酸化炭素温暖化説では、無いはずの『飽和以降の温暖化』が不当に気候感度を高めているのでしょう。


>私には昨今のコンセンサス主義の無意味さを説かれているように感じました。
◆大事なのは多数の科学者が賛同したということではなく、多数の科学者がどうして賛同したのかということのはずですよね。温室効果の放射強制力が高いことについては科学的理解水準が高いそうですが、なんで高いのかを示してくれません。というと、気候シミュレーションで現実の気候を再現したから、となるわけですが、それは『温室効果の放射強制力が高い』という説に基づいて現実の気候を説明付けてみたよ、というだけのものであって、その説が正しいということではありません。

「大気の窓」を閉じるのは誰か

>>結局大気の窓からの放射をふさぐ分しか温暖化の余地はないんですよね。


そう思います。そもそも「大気の窓」という言葉自体に、地球放射に対する既存の大気における吸収波長領域帯の「飽和」というニュアンスが含まれていると思います。大気の窓を防ぐ効果は、CO2にはもうほとんどありません。


本来なら、CO2温暖化主因説はこの時点でほぼ終わっている話なのかもしれません。そして、何よりも古気候の研究などを含め、現実の大気の観測結果を重視するならば、ここまで終末論的な温暖化脅威論が流行ることなどなかったのではないかと思います。

No title

放射があるにはあっても気層間の実質的なエネルギーの移動は放射によって行われず、熱収支図のように地球放射が強いにもかかわらずほとんど「再放射」で地表に返され(地表面に近ければ温室効果ガスに再吸収される前に地表まで照射できるので、対流下層の温度に応じた再放射が地表に来る)、実質的に排熱をしているのは大気の窓による放射+雲からの放射+潜熱と上昇温暖気流を経由した対流上層からの放射になるのでしょう。
http://www.uggsbootssole.com/bailey-button-boots.html
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社会科学と疑似科学の際どい境界線を探りながら、文系と理系の学問の乖離やらを考えています。分光学を視点として温暖化懐疑論も展開してます。

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