温室効果と大気による吸収

水蒸気、二酸化炭素、その他のガスがどのように熱放射を吸収・再放出することで、地表の放射平衡温度を上回る温暖化を引き起こすか。

Definition

温室効果とは、入射する太陽光に対しては透明であるものの、放出される熱放射を吸収・再放出する大気中のガスによって、惑星の地表が温暖化する現象であり、これにより地表温度は太陽加熱のみによって決まる値よりも上昇します。

Scope

このトピックでは、温室効果の物理的基礎、すなわち分子ガスによる長波放射の吸収と放出、それらが作用するスペクトル帯、そして大気の有効放射レベルが地表温度をどのように制御するかを扱います。水蒸気、二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素、オゾンの役割、それらの濃度変化による放射強制力の概念、そして強制力が濃度に応じてどのように変化するかを決定する飽和効果とバンド重なり効果について論じます。

Core questions

• なぜ一部のガスは熱放射の有効な吸収体であるのに対し、他のガスはそうではないのでしょうか？
• 温室効果はどのようにして地表温度を放射平衡よりも上昇させるのでしょうか？
• 温室効果ガスの濃度が増加するにつれて、放射強制力はどのように変化するのでしょうか？
• 水蒸気と二酸化炭素の相対的な寄与は何でしょうか？

Key theories

有効放出レベル

温室効果ガスは、惑星が宇宙に有効に放射する高度を上昇させます。そのレベルは地表よりも低温であるため、地表は入射する太陽光を相殺するのに十分なエネルギーを放出するために温暖化する必要があります。

二酸化炭素の対数的な強制力

二酸化炭素の中心吸収帯はほぼ飽和しているため、その放射強制力は濃度のおおよそ対数に比例して増加し、濃度が倍増するごとに同程度の強制力が加わります。

Mechanisms

適切な振動・回転遷移を持つ分子は、放出される赤外線放射を吸収し、それを全方向に、地表方向を含む形で再放出します。これにより、放射が最終的に宇宙空間に逃げる高度が上昇し、対流圏では高度とともに温度が低下するため、より低温の放出レベルが吸収された太陽光を相殺するのに十分な放射を行うまで地表が温暖化します。ガスをさらに追加すると、吸収層が厚くなり、放出レベルがより高く、より低温にシフトし、強制力が増大します。

Clinical relevance

二酸化炭素、メタン、その他の温室効果ガスの増加による放射強制力は、人為的な気候変動の直接的な物理的要因であり、このメカニズムは地球温暖化を理解し予測する上で中心的なものとなります。

Evidence & guidelines

IPCC第6次評価報告書は、主要な温室効果ガスそれぞれの有効放射強制力を定量化し、産業革命以前からの観測された温暖化の大部分がこれらのガスに起因すると結論付けています。

History

19世紀にティンダルは水蒸気と二酸化炭素が熱放射を吸収することを示し、アレニウスは二酸化炭素倍増による温暖化の最初の定量的推定を行いました。20世紀の分光法と放射・対流モデルは、これらのアイデアを現代の放射強制力の定量的理論へと発展させました。

Debates

バンド飽和に関する歴史的な主張

二酸化炭素の吸収はすでに飽和しているという初期の異論は、ガスを追加すると冷たい放出レベルが上昇するため、強制力はプラトーに達するのではなく増加し続けるという認識によって解決されました。

Key figures

• Svante Arrhenius
• John Tyndall
• Raymond Pierrehumbert
• Syukuro Manabe

Seminal works

• arrhenius1896
• pierrehumbert2010

Frequently asked questions

温室効果に最も寄与するガスは何ですか？

水蒸気が全体として最大の寄与者ですが、それは温度に反応するフィードバックとして作用します。一方、二酸化炭素は人間が増加させている主要な長寿命ガスです。

二酸化炭素の吸収帯がほぼ飽和しているのに、なぜ依然として重要なのでしょうか？

二酸化炭素を追加すると、惑星が宇宙に放射する高度がより低温のレベルに上昇するため、温暖化効果は濃度が倍増するごとに増大し続けます。