地球温暖化の真実を探して

地球の温度を人為的に変えられるのか?

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話を進めるために、大気に関する必要な物理化学の整理をしておく必要がある。簡潔にするために、必要な式は結果のみである。式の導き方はリンクしたウィキペディアなどでたどることができる。
<運動エネルギー>
地球温暖化について考えることは大気の温度を調べることである。それでは、大気の温度は何かというと、大気を構成するガス分子の運動エネルギーである。この場合の運動エネルギーは大気を構成するガス分子の併進エネルギーである。大気中のCO2による赤外線の吸収エネルギーは、気温を決める分子の併進エネルギーに比べるとはるかに小さい。学部の物理化学の教科書で最初に触れられるように、気体の温度と運動エネルギーとの関係は、気体の状態方程式と分子運動論から次式のようになる。
kT= 3/2mv2                                            (eq.1)
(k=ボルツマン定数、T=温度、m=分子の質量、v=分子の速度)
黒体からの輻射のピークの波長が温度に反比例するという法則である。
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  (b = 2.8977729×10^−3 K·m)                (eq.2)
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CO215µmの赤外線を吸収する。これはeq.2から-80の温度に相当する
熱輻射により黒体から放出される電磁波のエネルギーと温度の関係を表した物理法則である。
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                                            (eq.3)
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太陽定数とは、地球大気表面の単位面積に垂直に入射する太陽のエネルギー量のことである。太陽定数は、下図で示すように周期的に変化する。
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                       (eq.4)
R = 太陽の半径 (6.96 x 10^8 m)
D = 太陽と地球の平均の距離 (1.5 x 10^11 m)
天体の外部からの入射光に対する、反射光の比である。入射光の総量に対する反射光の総量の割合である。通常は電磁波の波長も問わず、全帯域についてスペクトル密度を積分する。そのため、入射エネルギーに対する反射エネルギーの割合とも言える。地球の場合は0.3である。
アルベドが0.3ということは、入射光の30%が地球の外側で反射される。70%の透過光のうち20%が紫外線、可視光で、残り50%が赤外線である。エネルギーは紫外線、可視光が赤外線より大きい。
赤外線のうち15µmの波長の領域がCO2により吸収される。大気と地表面で吸収される太陽光の70%が大気を直接、間接的に暖めている15µmの赤外線が400ppmCO2に吸収されて、温室効果に主に寄与するというのは明らかに誤りである
<地球表面の温度>
ステファン・ボルツマンの法則から単位面積あたり次式が成り立つ。地球の位置での太陽定数は地球全体に平均すると、その1/4となる。

¼(1-α)Gsc= σT4                                 (eq.5)     

(αはアルベドで0.3
従って
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                                          (eq.6)
 = 255K (-18)
地球の表面温度は、この計算値より33高い。

<気温減率(lapsrate)>

高度が上がるに従って大気の気温が下がっていく割合をいう。重力によって支えられている球形の気体であれば、どのようなものにでも適用できる。気体の状態方程式と、気体分子に対する重力によるポテンシャル変化から関係式が導かれる。対流圏(下図の11kmまでの一番下の層)ではある高さzでの温度Tは次式となる。
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(eq.7)
(z=高さ、g=重力加速度、Cp=定圧比熱)
大気の下層ほど圧力が高く、分子数が多い。気温減率は、定性的には温度は分子の運動エネルギーで決められ、分子数の多いほど全運動エネルギーが大きく、温度も高いというふうに解釈できる
我々が大学、大学院で学んだことを素直に論理的に考察すべきである。繰り返しになるが、
  1. 大気の温度とは大気ガスの運動エネルギーである。
  2. 大気ガスの運動エネルギーは、地球の重力、大気圧のために対流圏では均一に分布しない。
  3. 運動エネルギーは入射する太陽エネルギーで決まる。
  4. 地表面で最も運動エネルギーが大きく温度が高い。高所ほど温度は下がっていく。
  5. 高さと温度の関係は、気温減率(lapsrate)の関係式で整理できる。

  6. 気温減率(lapsrate)CO2の赤外吸収、放散とは全く無関係である。

大気ガスの運動エネルギーとは、言うまでもなくN2O2の運動エネルギーである。N2O2こそが地球を33℃暖めている温室効果ガスである

THEHOCKEY SCHTICKというブログではTheGreenhouse Equationという式を提案している。これは気温減率(lapsrate)の関係式を変形したものである。

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                (eq.8)

T =temperature at height (m)

s =height (m)

S =solar constant (= 1367 W/m2)

ε =emissivity (= 1 assuming Sun and Earth are blackbodies)

σ =Stefan-Boltzmann constant (= 5.6704 x 10-8 W m-2 K-4)

g =gravitational acceleration (= 9.8 m/s^2)

m =average molar mass of the atmosphere (= 0.029kg/mole)

α =albedo (= 0.3 for earth)

C =heat capacity of the atmosphere (= Cp ~ 1.5077 for Earth)

P =surface pressure

R =gas constant (= 8.3145 J/mol K)

e =2.71828

 
この式によると対流圏の任意の高さの温度を計算できる。対流圏の半分の高さがステファン・ボルツマンの法則で計算した-18℃または255Kであり、地面が+15℃または288Kである。

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