大気放射とエネルギー収支
太陽放射と地球放射が大気中をどのように伝播し、吸収・放出され、散乱されるか、そしてそれが地球の惑星エネルギー収支をどのように設定するか。
Definition
大気放射とエネルギー収支とは、大気中の電磁放射と、それによって生じる地球-大気系の温度構造を決定するエネルギーの流れを研究する学問分野です。
Scope
この分野は、短波（太陽）放射と長波（地球）放射の大気中での伝達、気体、雲、エアロゾルによる放射の吸収と放出、入射する太陽エネルギーの反射、吸収、地表加熱への配分、および温室効果を生み出す長波の捕捉を対象としています。これは、分子と粒子の放射との相互作用の微視的物理学を、気候を駆動する大気上端の巨視的エネルギー収支に結びつけます。
Sub-topics
Core questions
- 太陽放射は大気を通過する際にどのように吸収、散乱、反射されるのでしょうか？
- 宇宙へ、そして地表へ戻る長波放射の放出を制御するものは何でしょうか？
- 地球の地表が、その放射平衡温度が予測するよりも暖かいのはなぜでしょうか？
- 大気組成のわずかな変化は、惑星のエネルギー収支をどのように乱すのでしょうか？
Key theories
- 放射伝達理論
- 吸収、放出、散乱する媒質を通過する経路に沿って放射強度がどのように変化するかを、放射伝達方程式を介して形式的に記述したもの。すべての定量的な大気放射計算の基礎となります。
- 惑星エネルギー収支
- 平衡状態において、吸収される太陽放射が放出される長波放射と等しくなるという原理。これにより、大気上端の正味のフラックスが地球の平均温度を制約します。
Mechanisms
入射する太陽放射は可視光域でピークを示し、その約30%が反射され（惑星アルベド）、残りは地表と大気に吸収されます。暖められた地表と大気は、放射率によって修正されたプランクの法則に従って長波放射を放出します。温室効果ガスはこの長波放射を吸収・再放出することで、宇宙への正味の損失を減らし、地表温度を上昇させます。この収支は、ビア・ランバートの吸収と熱放出および散乱源項を組み合わせた放射伝達方程式によって記述されます。
Clinical relevance
放射束の定量化は、気候モデリング、温度と組成のリモートセンシングによる取得、太陽エネルギー資源の評価、および気候政策評価で使用される放射強制力の定義の基礎となります。
History
大気温暖化の放射学的根拠はジョゼフ・フーリエによって概説され、ジョン・ティンダルのガス吸収測定とスヴァンテ・アレニウスの1896年の二酸化炭素計算によって定量化されました。チャンドラセカールは20世紀半ばに放射伝達理論を体系化し、1980年代以降の衛星時代の測定により、地球のエネルギー収支は数ワット/平方メートル以内に制約されています。
Key figures
- Svante Arrhenius
- Subrahmanyan Chandrasekhar
- Kevin Trenberth
Related topics
Seminal works
- trenberth2009
- liou2002
- wallaceHobbs2006
Frequently asked questions
- 短波放射と長波放射の違いは何ですか？
- 短波放射は地球が受ける太陽エネルギーであり、可視光線と近赤外線波長に集中しています。長波放射は、より冷たい地球と大気から放出される熱赤外線です。大気は短波放射に対しては大部分が透明ですが、長波放射は強く吸収します。
- 地球が単純な放射収支の予測よりも暖かいのはなぜですか？
- 温室効果ガスは、放出される長波放射を吸収し、その一部を地表に向かって再放出するため、エネルギー収支を均衡させるためには、地表は惑星の有効放射温度よりも暖かくなければなりません。