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断熱モデルによる気候感度

気温に与えるCO2の影響を評価するための指標の一つに気候感度があります。気候感度とは、一般に、CO2が二倍に増加したときの気温変化のことです。私がこれまでに紹介した気候感度の値としては、実測値に基づくもので、0.4℃程度となっています(水蒸気フィードバックと気候感度の妥当性)。「アイリス仮説」など雲の研究で著名なリンゼン氏も気候感度の値に対して近い見解を示しています。

Richard S. Lindzen, An Exchange on Climate Science and Alarm, in Global Warming: Looking Beyond Kyoto, 2008

さらに、今年になり、地球温暖化に対する総説論文がイギリスの科学雑誌に掲載されました。

Global warming and carbon dioxide through sciences :
G. A. Florides and P. Christodoulides, Environment International, 35, 390 (2009).

JSTによる抄録の邦訳: 科学を介した地球温暖化および二酸化炭素

この総説論文に紹介されている気候感度の値は、0.01℃~0.03℃となっています。この気候感度の値は、断熱モデルにより見積もられたものです。つまり、この気候感度の値は、温室効果や潜熱輸送だけではなく、圧力による断熱圧縮による昇温効果を考慮したものとなっています。総説に紹介されている断熱モデルの論文の式を見ると、温室効果をそのまま比熱の補正項として表現されているのが分かります(論文のPDFが必要な方はメール等にて要請してもらえれば用意します)。

O. G. Sorokhtin et al., Energy Sources, Part A, 29, 1 (2007)

ところで、私は前回のエントリーで温室効果を比熱のアナロジーとしてイメージしたことを伝えましたが、断熱モデルのように実際に式に導入するまでには至りませんでした。下記に前回のエントリーの一部を引用します。

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。

温室効果の理解と宇宙気候学の進展

気候感度は気候モデルによる計算によっても見積もられており、低感度と高感度の二種類が用意され、それぞれのパラメータには異なる任意の値が用いられているようです。しかしながら、気候モデルも断熱モデルも所詮は机上の空論です。実測値には敵いません。私としては、Idsoらにより見積もられた実測に基づく気候感度の値の信頼性がもっとも高いと感じています。

TARでは、UKMOモデルによる20世紀気候シミュレーションで、自然起源と人為起源双方の強制力を与えることで全球平均地上気温のトレンド・長期変化を定量的にも再現できることを示していた。その後、いくつかの気候モデルでも同様の結果が出ているが、それらで用いられている強制力は同じではない。異なる大きさの強制力を用いていながら、なぜどのモデルでも20世紀気候再現に成功するのか?どうやら気候感度の低い(高い)モデルでは大きい(小さい)強制力を使った実験を行っているためらしい。

気候感度に関するIPCCワークショップについて(リンク切れのため、キャッシュより引用)

それにしても、気候モデルを用いた研究者同士でも、お互いに用いているパラメータや計算条件すらも分からないとは、計算の扱いに関して余りにも閉鎖的に過ぎるようにも感じます。これでは計算の再現性や検証さえできませんから、反証可能性といった科学としての最低限度の条件を満たすことすら難しいのではないかと思います。


CO2濃度は果たしてホッケースティック曲線を描くのか

現在の温暖化は過去に例のない急激な変化だという主張があります。また、CO2濃度の変化も、過去に例のないものだという主張もセットで行われています。しかし、はれほれさんによる「地球温暖化に関するひと味ちがうリンク集」に紹介されているJaworowskiの論文によると、急激なCO2濃度変化を示すホッケースティック曲線は大分折れ曲がったものになりました。

さらに、今回紹介した総説にはBeck(2007)による研究が取り上げられ、CO2濃度変化がホッケースティックであると強弁することはますます難しくなりました。それでも、しばらくはこの折れ曲がったホッケースティックでゲームは続けられることになるのでしょう。

180 Years of atmospheric CO2 Gas Analysis by Chemical Methods

Ernst-Georg Beck, Energy & Environment, 18, 259 (2007)

beck




温室効果の上限
「温室効果の理解と宇宙気候学の進展」のコメント欄で述べたことを一部加筆編集して掲載します。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

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。

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)

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。

たとえば、Jack Barrett(2005)によると、CO2の倍増による総吸収率は、0.729から0.734とわずかに変化します。これにそのままキルヒホッフの法則を適用すれば、大気の射出率の増加分は0.005となります。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。

theme : 宇宙・科学・技術
genre : 学問・文化・芸術

comment

Secret

気候感度

http://www.informaworld.com/smpp/content~db=all~content=a762494767
温室効果現象へのごく最近の開発は,物理的法則に基づいて確認された断熱モデルで,現在の大気CO2濃度の倍増で0.01-0.03℃の最大温度増加を予測している


温室効果と断熱圧縮を見積もって、気候感度=0.01~0.03℃
になったということは、温室効果分の見積もりがずいぶん小さいのだろうと推測されるのですが、文献ではどのように説明されているのでしょうか?

大気の温度勾配

期待人さん、コメント有難うございます。Oleg Sorokhtinらの主張によれば、たとえ温室効果ガスのない惑星であっても、大気がある限りは断熱圧縮による昇温効果を見積もる必要があるということです。大気を持つ惑星ならば、大気圧の増加に伴い気温も上昇します。つまり、フローするエネルギーは一定でも、スットクされるエネルギーは大気量によって異なるということです。

温度は均一になろうとするために、対流や潜熱輸送などによって大気の温度勾配を安定に保とうとする働きがあると思います。地べたを暖めれば、熱の不均一性を解消するために速やかに対流が生じ、熱は上層大気へ輸送されます。つまり、温室効果は対流活動を活発にする方向に働くため、ネガティブ・フィードバックによる制限があります。

一方、槌田氏が指摘するように、大気汚染などによる大気上層の温暖化は対流活動を抑制する方向に働くため、重大な環境破壊につながるのではないかと思います。

大気上空の汚染
http://feliscatus.web.fc2.com/estimate.html

気候感度への影響

*「大気の温度勾配」での説明有難うございました。
大気の断熱圧縮による昇温がある。
地球放射の吸収増大、大気放射の増大により熱の不均一性が増し伝熱がより活発になり、対流伝熱量が増加し熱が早く上層大気へ輸送される。(ネガティブ フイードバック)
従って、大気放射量は地球放射の吸収増大量ほどは増加しない。

それにしても気候感度=0.01ー0.03℃は小さいですね。

*>大気汚染などによる大気上層の温暖化は対流活動を抑制する方向に働くため、重大な環境破壊につながるのではないかと思います。
褐色雲の生成のもとで、太陽光の強さが50%も増加したとのこと、
あまりにも大きいので、汚染物質が太陽光のもとで化学反応を起こし発熱でもしているのでしょうか?
光化学スモッグのように。



太陽による大気加熱を促進させる不確定要素

期待人さんへ
>>褐色雲の生成のもとで、太陽光の強さが50%も増加したとのこと、

太陽光の強さが増加するわけではありません。Ramanathanらの主張は、褐色雲によって「太陽光による大気の加熱効率」が促進されたということだと思います。

Atmospheric solar heating is a significant source of the uncertainty, because current estimates are largely derived from model studies. Here we use three lightweight unmanned aerial vehicles that were vertically stacked between 0.5 and 3 km over the polluted Indian Ocean. These unmanned aerial vehicles deployed miniaturized instruments measuring aerosol concentrations, soot amount and solar fluxes.

During 18 flight missions the three unmanned aerial vehicles were flown with a horizontal separation of tens of metres or less and a temporal separation of less than ten seconds, which made it possible to measure the atmospheric solar heating rates directly. We found that atmospheric brown clouds enhanced lower atmospheric solar heating by about 50 per cent.
http://www.nature.com/nature/journal/v448/n7153/abs/nature06019.html

気候感度

コメントありがとうございます。
>Ramanathanらの主張は、褐色雲によって「太陽光による大気の加熱効率」が促進されたということだと思います。

下向きの大気放射が増加し、地表面からの放射伝熱(放射冷却)が抑制されたのですね。

>気候感度=0.01ー0.03℃
地球放射の吸収増大、大気放射の増大により熱の不均一性が増し伝熱がより活発になり、潜熱輸送量、対流伝熱量が増加し熱が早く上層大気へ輸送される。(ネガティブ フイードバック)
従って、大気放射量は地球放射の吸収増大量ほどは増加しない。

気候感度は、小生の予測として、最近0.05~0.08℃になりました(2009.7.17 http://ameblo.jp/1568-0-1-2-3-nkm/ ) が、上のネガティブ フイードバックの考えを取り入れればさらに
0.01~0.03℃に近づきます。

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