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かんとこうブログ

2022.12.23

もっと奥が深かった温室効果ガスの作用

昨日、二酸化炭素が温室効果ガスに指定されている理由について赤外線吸収の観点からいろいろと解説を書きました。最後に水のことを書いたのですが、水蒸気の事を書きながらもう一つ気になっていた気体がありました。それはメタンです。実はメタンは二酸化炭素の20倍以上も温室効果があるとされていますが、二酸化炭素以上に赤外線を吸収するとは思えなかったからです。

なぜメタンの温室効果が二酸化炭素の20倍以上もあるのかを調べているうちに温室効果ガス全般について面白い記事を見つけましたので、今日はその内容をご紹介したいと思います。これは一般社団法人 地球化学会(下記URL)というサイトにあった解説記事です。

http://www.geochem.jp/qanda/answer/004.html

以下①から⑪まで順番に解説されていた事項を説明していきます。この記事には一切図がありませんでしたので、こちらの方で適当な図を引用するか作成するかしています。

最初は物体の温度とそこから放射される電磁波についてです。物体はその温度に応じて電磁波を放射しており、太陽からはその温度で6000℃に応じた主に可視光線が放射されます。これが地球に降り注いでくるのですが、地球からはその温度15℃に応じた電磁波である赤外線が放射されます。このうち可視光線は無色の気体には吸収されませんが、赤外線は等核2原子分子を除き気体に吸収されます。

次に温暖化プロセスが説明されます。このプロセスは、言われてみれば当然ですが、思っていたよりずっと複雑でした。

②地球に降り注いだ太陽光は、全部が地表に到達できるわけではなく、雲などに反射されたりして約半分程度が到達します。そして地表を温めます。③暖められた熱は赤外線となって地表から放出されますが、大気中の気体によって吸収され、それがまた赤外線となって放出されます。このうちの一部がまた地表に到達し、地表を暖めたのち赤外線として放出されます。こうしたプロセスが繰り返されるのですが、温室効果ガスが増加するとこのプロセスが長くなり結果として④最終的に地表が受け取るエネルギーが大きくなり地表温度が上昇することになります。(下図)これが地球温暖化の仕組みです。

次に太陽光の放射と地表からの赤外線放射などについての熱収支が説明されています。

⑤太陽光のエネルギーを100とすると前述したように地表に到達する太陽光のエネルギーは49になります。このエネルギーが地表からさまざまな形で放出されるのですが、最も多い赤外線のエネルギーは114にもなります。ついで蒸発潜熱として26、顕熱(伝導)として5、これらをあわせると145のエネルギーが放出されています。ここから先ほどの49を差し引くと96となりこれが温室効果分となります。なんと地表から放出されるエネルギーの2/3、地球に降り注ぐ太陽光のエネルギーほぼ全量と同じ量が温室効果として地球を暖めていることになります。

⑥ただしこの温室効果というのは、昔からの分も含めた数字であり、現在地球の温度を15℃として説明しましたが、もし温室効果が全くなければ地球の温度は-18℃になると言われています。つまり現在地球は33℃分の”布団”を着ているということになります。

ここからは、温室効果というのは広範囲にものごとをとらえる必要があるという話が続きます。

⑦~⑨実は地表から放出される赤外線には、気体には吸収されない波長成分が含まれており、大気中で気体に特定の波長成分を吸収されることが繰り返されると、次第に気体が吸収可能な成分を持たない赤外線になっていきます。

⑩そうなると高層では気体による温室効果作用がなくなることになりますので、逆にこれまでに比べて気温が下がることになります。⑪その一方で、成層圏ではオゾンが太陽光の紫外線を吸収して暖める現象がおきるのでこうしたことにも注意をしておく必要があります。

以上がこの解説記事の要約です。そして最後には以下のように結ばれています。「いずれにせよ、温室という言葉が一人歩きし、この赤外線放射吸収効果に誤った印象を与えています。正しく理解したいものです。

まさにご指摘のとおり温室効果という現象は奥が深く、さまざまな角度から検討されなければならない問題であるとわかりました。

ところで肝心のメタンの温室効果作用が二酸化炭素の20倍以上とされる理由ですが、定量的な説明は見つけることができませんでした。少なくとも赤外線吸収が二酸化炭素の20倍以上あるということではなさそうです。個々の原子の電気陰性度を二酸化炭素と比較しても、分子中の電気的な偏りが大きいとは思えません。

その代わりに衝撃的な図を見つけました。いかに水蒸気の温室効果がすさまじいものであるかという図です。ただ、昨日書いたように、一方で水蒸気は温暖化を抑制する働きもあるので単純には扱えないということです。まさに温暖化問題は奥が深い、とタイトルをつけたのはそうした意味です。もっと勉強したいと思います。

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