2011 02.09 Wed 地球温暖化とはなんぞや？ その1 ＣＡＴＥＧＯＲＹ ：自然科学

地球温暖化とは？

黒
という色は全ての光を吸収し、何の光も反射しないから暗く見えてるわけです。

では吸収された光はどうなったのか？
これは黒い服を夏場に着た人は分かると思いますが、熱になります。
光は太陽光電池から分かるとおりエネルギーの形のひとつです。
でもって熱もエネルギーの形態のひとつです。

（「エネルギー」自体は「物質に変化をもたらすもの」みたいにザックリ解釈してください。）

ここで真っ黒な物体、「黒体」というものが有るとします（実際には存在しません）。
黒体は「入射したエネルギーを完全に吸収し、そして熱を経て放射するもの」です。
地球は近い値が出るので、計算では黒体とみなしても差し支えないとされます。


ではここで問題です。
地球を黒体と見なしたとき、表面温度は何度でしょうか？


これを解くには以下用語が必要です。
（*は掛ける。/は割る。^は何乗を意味します）

1,ステファン・ボルツマンの法則
：黒体の放射するエネルギーは表面温度の４乗に比例
I = σT^4
(I は放射エネルギー、σは定数、Tは絶対温度)

2,太陽定数 So
：地球をただの円見なしたときに、その表面1m^2あたりに降り注ぐ太陽光の強さ
So = 1366W/m^2

3,アルベド A
：物体が光を反射する割合。反射率。
地球では A = 0.3


以上です。

さて、地球を黒体とみなすと、
太陽から貰ったエネルギー=地球が放射するエネルギー
が成り立ちます。

貰ったエネルギーは、太陽定数に反射を考慮して面積倍するので
So * (1-A) * πR^2
(Rは地球の半径)

放射するエネルギーは、表面積倍して
I * 4πR^4

ちなみに、
円の面積はπr^2、球の表面積は4πr^2で、
半径が同じなら面積は球が円の4倍です。


これらがイコールなので
So * (1-A) * πR^2 = 4πR^4 * I

地球の表面温度が知りたいので 、I を求めます。

I
= So * (1-A) /4
= 239.05

ステファン・ボルツマンの法則より
I = σT^4
σ = 5.67 * 10^(-8) を代入すると、表面温度Tは
T = 254.8 K
= -18.2℃


はいでました。地球の表面温度は-18℃です。


・・・んな訳ありません。寒すぎです。
Wikipediaによれば平均気温は15℃なので、計算よりも33℃も暖かい訳です。

誤差が出たのはなぜでしょうか。
じつは計算で考慮しなかったものがあります。
「大気」です。
上記の計算には地球を1000キロメートルの厚さで覆う大気がありません。
大気がなければ地球の温度は-18℃な訳です。

このように大気の温度を保つ能力を「温室効果」といいます。
どこに蓄えておくかというと、分子に振動として蓄えられます。
二酸化炭素や水といった違う原子からなる物質は、特定の波長のエネルギーを吸収し、プルプル震えるのです。そして振動する分子同士が衝突すると熱として出てきます。

二酸化炭素や水、メタンは地球が放射するエネルギー、つまり赤外線を吸収するのです。
ゆえにこれらの物質を「温室効果ガス」というのです。



というわけで、第一回を終わります。
まとめとして、
・温室効果ガスは存在する。
・これがないと地球は寒い。
です。

さて、今回のことから以下のことも分かります。
「地球の温度が上がる条件としては
・太陽が活発になって太陽定数が大きくなる。
・温室効果ガスの濃度が上がる。
がある。」

では次回「地球の温度変化」を予定してます。

さいならー。


（頭痛いから寝ます。。。zzz）