[論文レビュー] Proof of the Atmospheric Greenhouse Effect

A. P. Smith|ArXiv.org|Feb 29, 2008

Greenhouse Technology and Climate Control参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、エネルギー保存則と放射移動の基本的原則に基づき、大気中の温室効果を厳密な理論的証明によって提示している。地球を赤外線吸収性大気を有する惑星とない惑星としてモデル化することで、観測された透明大気を仮定した基準との比較において、表面温度が33 K高いという事実は、温室効果の直接的証明であり、標準的な熱力学および放射物理学の枠組み内での物理的必然性と妥当性を確認している。

ABSTRACT

A recently advanced argument against the atmospheric greenhouse effect is refuted. A planet without an infrared absorbing atmosphere is mathematically constrained to have an average temperature less than or equal to the effective radiating temperature. Observed parameters for Earth prove that without infrared absorption by the atmosphere, the average temperature of Earth's surface would be at least 33 K lower than what is observed.

研究の動機と目的

• 最近の主張である大気中の温室効果が物理的に無効である、あるいは理論物理学的根拠に欠けるという主張を反証すること。
• 透明大気を有する惑星の表面温度に数学的に厳密な制約を設けること。
• 赤外線吸収性大気層の存在がこの温度制約に違反することを示し、温室効果の存在を証明すること。
• 観測された地球の表面温度が、透明大気を仮定した場合の理論的限界を33 K上回っていることの定量的評価を行い、温室効果の存在を確認すること。
• 標準的な気象学教科書における温室効果の取り扱いが、物理的に妥当であり、基本的物理法則と整合的であることを検証すること。

提案手法

• 重要な物理量を定義する：入射日放射 $S(t)$、有効アルベド $a_{eff}(t)$、有効放射率 $\epsilon_{eff}(t)$、有効放射温度 $T_{eff}(t)$。
• ステファン＝ボルツマンの法則を適用して放射エネルギーを計算する：$E_{emitted}(t) = \sigma \int \epsilon({\bf x},t) T({\bf x},t)^4 d{\bf x}$。
• 赤外線吸収性大気がない惑星における温度制約を導出する：表面温度は $T^4$ の平均の四乗根を超えることはできない。
• 吸収率 $f$ を持つ簡略化された大気層モデルを導入し、そのエネルギーの半分を上向き、半分を下向きに再放射する。
• エネルギー収支方程式を用いて、有効な放射エネルギーが $(1 - f/2)$ の係数で減少することを示し、エネルギー収支を維持するためには表面温度が上昇する必要があることを示す。
• 透明大気を仮定した場合の理論的温度限界と観測された地球データを比較し、温室効果による温暖化の程度を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤外線吸収性大気が存在しない惑星が、日放射とアルベドから導かれる有効放射温度よりも高い表面温度を維持できるか？
• RQ2 大気が赤外線に対して透明な場合、平均惑星表面温度に課される数学的制約は何か？
• RQ3 赤外線吸収性大気層の導入が、透明大気を仮定した場合のエネルギー収支および表面温度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 観測された地球の表面温度は、透明大気を仮定した場合の理論的限界をどの程度上回っており、これは温室効果について何を示唆するか？
• RQ5 大気中の温室効果は、理論物理学におけるエネルギー保存則および放射移動の基本的原則と整合的か？

主な発見

• 透明大気を有する惑星は、数学的に、その平均表面温度が表面温度の四乗の平均の四乗根を超えることはできないという制約を受ける。
• 地球の観測された平均表面温度は、透明大気を仮定した場合の理論的限界を33 K上回っており、これは温室効果の存在を証明している。
• 赤外線吸収性大気層の導入により、放射エネルギーの有効な放出が $(1 - f/2)$ の係数で減少し、エネルギー収支を回復させるために表面が温暖化する必要が生じる。
• 地球表面の有効放射温度は $(1/(1 - f/2))^{1/4}$ の係数で上昇し、完全に吸収する層では最大で $2^{1/4} \approx 1.19$ に達する。
• 放射的断熱状態の惑星の温度分布はより均一化され、平均温度は高い有効温度限界に近づく。
• 測定された33 Kの温暖化は、地球の大気が赤外線に対して透明でないことを直接示す実証的証拠であり、エネルギー保存則の下で温室効果が必然的であることを確認している。