[論文レビュー] Atmosphere and Greenhouse Gas Primer

W. A. van Wijngaarden, W. Happer|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2023

Atmospheric Ozone and Climate被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、二酸化炭素（CO₂）や水蒸気（H₂O）といった温室効果ガスが、地球の大気における熱的抵抗を生じさせ、対流圏を形成し、放射平衡によって駆動される成層圏を生じることを説明している。基本的な熱力学と放射移動理論を用いて、CO₂の増加が大気の不透明度を高め、地表面温度を上昇させることを示しており、モデルと衛星観測の一致が、複雑なスペクトル的特徴にもかかわらず、放射移動計算の正確性を裏付けている。

ABSTRACT

We discuss how greenhouse gases affect radiation transfer in Earth's atmosphere. We explain how greenhouse gases like water vapor or carbon dioxide, differ from non-greenhouse gases like nitrogen or oxygen. Using simple thermodynamics and fluid mechanics, we show that a planet with sufficiently high concentrations of greenhouse gases must develop a convecting troposphere. The planet must also develop a non-convecting stratosphere above the tropopause. In the simplest approximation of an atmosphere that is transparent to sunlight and has frequency-independent opacity for thermal radiation, one can find simple formulas for the tropopause altitude, and for the altitude profiles of pressure and temperature. The troposphere is nearly isentropic and the stratosphere is nearly isothermal. Earth's real atmosphere is much more complicated but it does have a troposphere and a stratosphere. Between the surface and the tropopause the entropy per kilogram of real tropospheric air increases slowly with altitude. The entropy increases much more rapidly with altitude in the stratosphere. The stratosphere has a nearly isothermal lower part and a hotter upper part due to absorption of solar ultraviolet radiation by ozone. The thermal opacity of the real atmosphere has a complicated frequency dependence due to the hundreds of thousands of vibration-rotation transitions of its greenhouse molecules. Unlike the simple model where nearly all radiation to space originates at the tropopause altitude, radiation to space from Earth's real atmosphere originates from both the surface and all altitudes in the troposphere. A small additional amount of radiation originates in the stratosphere. When these complications are taken into account, model calculations of the thermal radiation spectrum at the top of the atmosphere can hardly be distinguished from satellite observations.

研究の動機と目的

• 地球の大気における温室効果ガスが放射移動および大気の構造に与える基本的物理的メカニズムを説明すること。
• 対流および放射プロセスを通じて、温室効果ガスが対流圏と成層圏を形成する役割を明確にすること。
• モデルで予測された赤外線放射スペクトルが、衛星観測と一致することを示し、大気の複雑さにもかかわらず、その背後にある物理法則の妥当性を検証すること。
• CO₂濃度の上昇が地表面温度に与える影響を評価し、フィードバックの役割を強調するとともに、強力な正のフィードバックが観測的に支持されていないことを見ること。

提案手法

• 対流圏と非対流的成層圏の形成条件を、基本的な熱力学および流体力学を用いて導出する。
• 周波数依存の不透明度を伴う大気中の放射移動をモデル化するために、シュバルツシルト方程式を適用する。
• 局所的熱力学的平衡とボルツマン分布の概念を用いて、大気中の分子のエネルギー状態を記述する。
• 地上付近の赤外線放射スペクトルのモデル予測値を、干渉計器による実際の衛星測定値と比較する。
• 簡略化されたグレイ大気モデルを用いて、対流圏圏の高さ、温度、気圧プロファイルの解析的表現を導出する。
• 水蒸気、雲、オゾンが、特に赤外線窓領域において放射フラックスとアルベドに与える影響を分析する。

Figure 1: The three vibrational modes of the CO 2 from Fermi’s classic paper on mode mixing [ 5 ] . For the most abundant isotopolgue, 16 O 12 C 16 O, the mode frequencies are: symmetric stretch (b) $\nu_{1}=1388$ cm -1 ; (c) bending $\nu_{2}=667$ cm -1 ; and (d) asymmetric stretch, $\nu_{3}=2349$ c

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 N₂ や O₂ といった非温室効果ガスとは異なり、CO₂ や H₂O といった温室効果ガスが大気に対して果たす放射的効果の違いは何か？
• RQ2 十分な温室効果ガス濃度を持つ惑星において、対流圏と成層圏が形成される物理的メカニズムは何か？
• RQ3 実際の大気が示す複雑なスペクトル的不透明度は、宇宙空間への熱放射が発生する高さにどの程度の影響を与えるか？
• RQ4 簡略化された放射移動モデルは、地球の放射エネルギーの衛星観測スペクトルをどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 CO₂の増加が地表面温度に与える定量的影響は何か？また、フィードバック機構はこの影響にどのように寄与するか？

主な発見

• 簡略化されたグレイ大気モデルにおいて、対流圏はほぼ等エントロピー的であり、成層圏はほぼ等温である。対流圏圏の高さは、放射的および対流的バランスによって決定される。
• 現実の大気においては、宇宙空間への熱放射が対流圏の複数の高さから発生し、成層圏からのわずかな寄与があるが、単に対流圏圏からの放射であるという単純モデルとは異なる。
• 地上付近の赤外線スペクトルのモデル計算値は、水蒸気の量が異なる地域（サハラ砂漠、地中海、南極）においても、衛星観測と極めて良好に一致している。
• すべてのフィードバックを考慮した場合、CO₂二重化に伴う地表面温度上昇は約1 °Cと推定され、強力な正のフィードバックが観測的に支持されていない。
• 雲やアルベドの変化（例えば、北極の氷の融解に起因するもの）は、地域的影響にとどまり、全球エネルギー収支に顕著な変化をもたらさない。
• 大気は熱エンジンとして機能し、温室効果ガスは熱的抵抗として機能し、エネルギーの垂直輸送を可能にし、気象および気候のダイナミクスを駆動する。

Figure 2: To calculate greenhouse effects in detail, one must include the opacity of hundreds of thousands of individual line intensities, shown here as colored dots from the HITRAN data base. More details of how line intensities are used can be found in references [ 6 , 7 ] .