[論文レビュー] Dependence of Earth's Thermal Radiation on Five Most Abundant Greenhouse Gases

W. A. van Wijngaarden, W. Happer|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2020

Atmospheric and Environmental Gas DynamicsEnvironmental Science参考文献 28被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、330,000個を超えるHITRAN分光線を用いたラインごとの放射移動計算を実施し、現在の大気状態および光学的に薄い状態の下で、地球の大気中で最も豊富な5種の温室効果ガス（H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CH₄）の放射強制力を定量的に評価した。その結果、H₂OおよびCO₂では飽和のため、分子あたりの強制力が最大4桁まで抑制されているのに対し、CH₄のような希少なガスは著しく高い分子あたりの強制力を維持していることが判明した。また、CO₂、N₂O、CH₄の濃度を2倍にした場合、強制力の増加は数パーセントにとどまることが示された。

ABSTRACT

The atmospheric temperatures and concentrations of Earth's five most important, greenhouse gases, H$_2$O, CO$_2$, O$_3$, N$_2$O and CH$_4$ control the cloud-free, thermal radiative flux from the Earth to outer space. Over 1/3 million lines having strengths as low as $10^{-27}$ cm of the HITRAN database were used to evaluate the dependence of the forcing on the gas concentrations. For a hypothetical, optically thin atmosphere, where there is negligible saturation of the absorption bands, or interference of one type of greenhouse gas with others, the per-molecule forcings are of order $10^{-22}$ W for H$_2$O, CO$_2$, O$_3$, N$_2$O and CH$_4$. For current atmospheric concentrations, the per-molecule forcings of the abundant greenhouse gases H$_2$O and CO$_2$ are suppressed by four orders of magnitude. The forcings of the less abundant greenhouse gases, O$_3$, N$_2$O and CH$_4$, are also suppressed, but much less so. For current concentrations, the per-molecule forcings are two to three orders of magnitude greater for O$_3$, N$_2$O and CH$_4$, than those of H$_2$O or CO$_2$. Doubling the current concentrations of CO$_2$, N$_2$O or CH$_4$ increases the forcings by a few per cent. These forcing results are close to previously published values even though the calculations did not utilize either a CO$_2$ or H$_2$O continuum. The change in surface temperature due to CO$_2$ doubling is estimated taking into account radiative-convective equilibrium of the atmosphere as well as water feedback for the cases of fixed absolute and relative humidities as well as the effect of using a pseudoadiabatic lapse rate to model the troposphere temperature. Satellite spectral measurements at various latitudes are in excellent quantitative agreement with modelled intensities.

研究の動機と目的

• 地球の大気中で最も豊富な5種の温室効果ガス（H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CH₄）の、現実的大気状態下での放射強制力を定量すること。
• 温室効果ガス同士の飽和および分光的重複が、分子あたりの放射強制力にどの程度抑制効果を及ぼすかを評価すること。
• CO₂、N₂O、CH₄の濃度を2倍にした場合の、大気上部における熱放射および地表面温度への影響を評価すること。
• モデルで得られた大気上部のスペクトル放射度と、実際の人工衛星測定値を比較し、検証すること。
• 水蒸気フィードバックおよび大気温度プロファイルが気候感受性を決定づける役割をどのように果たすかを調査すること。

提案手法

• HITRANデータベースに収録された、強度が10⁻²⁷ cmにまで及ぶ330,000個を超えるロビブレーション分光線を用いたラインごとの放射移動計算を実施した。
• 大気を500段階の高度セグメントに分割し、標準的な中緯度大気データを用いて温度およびガス濃度プロファイルを定義した。
• 放射対流平衡をモデル化し、CO₂濃度2倍のシナリオにおいて、絶対湿度と相対湿度を固定した条件下での地表面温度変化を推定した。
• 対流圏の温度プロファイルを推定するために、凝縮水蒸気が放出する顕熱を考慮した擬似アディアバティック温度勾配を用いた。
• 大気上部（TOA）におけるスペクトル放射度を計算し、サハラ砂漠、地中海地域、南極など多様な気候帯における人工衛星測定値と比較した。
• 計算からCO₂またはH₂Oの連続体を省略した結果が、観測された人工衛星スペクトルと良好に一致したため、その妥当性が検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CH₄の分子あたりの放射強制力は、光学的に薄い状態と現在の大気状態の下でどのように変化するか？
• RQ2 温室効果ガス同士の飽和および分光的重複が、放射強制力にどの程度抑制効果を及ぼすか？
• RQ3 放射対流平衡および水蒸気フィードバックを考慮した場合、CO₂濃度2倍による地表面温度の変化はどの程度か？
• RQ4 CO₂またはH₂Oの連続体を含めないラインごとのモデル計算が、人工衛星で測定されたTOAスペクトル放射度をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 固定された絶対湿度、固定された相対湿度、および擬似アディアバティック温度勾配の仮定下で、気候感受性はどのように変化するか？

主な発見

• 現在の大気濃度下では、H₂OおよびCO₂の分子あたりの放射強制力が、極度の飽和のため最大4桁まで抑制されているのに対し、O₃、N₂O、CH₄はその抑制効果が小さい。
• 現在の大気濃度下では、O₃、N₂O、CH₄の分子あたりの強制力は、H₂OやCO₂のそれよりも2〜3桁大きい。
• CO₂、N₂O、CH₄の濃度を2倍にした場合、飽和効果のため、放射強制力の増加は数パーセントにとどまる。
• モデルで得られた大気上部のスペクトル放射度は、多様な緯度で人工衛星測定値と良好に一致しており、ラインごとの計算手法の妥当性が裏付けられた。
• 固定された絶対湿度下での気候感受性は1.4 K、固定された相対湿度および擬似アディアバティック温度勾配を仮定した場合の気候感受性は2.2〜2.3 Kであり、他の研究と整合的であった。
• CO₂またはH₂Oの連続体を計算から省略しても、TOA放射度に顕著な影響がないことが、人工衛星データとの一致から確認された。