５章 大気の放射～エネルギーのバランス～

タイムテーブル

1． 太陽の高さ

２．黒体放射と表面温度

３．放射平衡温度

４．地球のエネルギーバランスアルベドと熱収支

１ 太陽の高さ今日の太陽の高度角？

太陽が持っているエネルギーを I とすると

ｄ１の距離で地球が受ける単位面積エネルギーは

= I/4πd12

表面積の公式S=4πr2から導出

地球に入射する太陽放射量

地球の場合

太陽定数： I ＝1.37×103[Wm-2]

(太陽からの放射線に直角な方向の単位面積

が単位時間に受ける地球上端での太陽放射のエネルギー)

エネルギー収支の緯度分布

太陽放射の吸収

赤外放射の射出

正味の放射のインプット

Hartmann “Global Physical Climatology” より

地軸の傾きで高度角が変わる

赤緯δ＝太陽からの光線が地球表面と垂直になる緯度(α＝90)

季節によって変わる

夏・冬至：

北(南)回帰線23.5度

春・秋分：赤道

天頂角と高度角(太陽高度)

天頂角 90-α

高度角 α

太陽の赤緯が分かれば高度角が分かる

α＝90°ー φ ＋ δ (南中時)

例：横浜(φ＝35N)における夏至の南中時の太陽高度角は？

太陽は1時間毎に15°動くので

h=15 ×(実際の時間ー12時間)

sinα＝sinφ sinδ + cosφ cosδ cosh

２．黒体放射と表面温度

エネルギーの放射

物体はその温度が絶対零度でない限り、絶えずエネルギー（電磁波）を放射している。

プランクの法則から、単位面積から単位時間に放射される全エネルギー量 I*

I*＝ σT4 (ステファン・ボルツマンの法則)

σ＝5.67×10-8[Wm-2K-4](ステファン・ボルツマンの定数)T＝(黒体の絶対温度）

黒体とは

法則値（表面温度）よりも、少し小さい

観測された放射量 ＝ I* （＝ σT4 ） ｘ 放射率

放射率１の物体

黒体＝入射してきた電磁波をすべて吸収するような物体＝反射しない物体 放射率＝１

放射率 ɛλ＝I λ / I λ＊＝現実の物体がどの程度黒体に

近いか

I λ＝現実の物体からの放射 I λ＊＝黒体の放射

よく放射する物体＝よく吸収する物体

黒体

３．放射平衡温度

アルベド

• 地球に入射してきた太陽放射の一部は大気中の気体分子やエーロゾルや雲によって散乱・反射される

• 地表面に達した太陽放射の一部もそこで反射され宇宙空間に戻る

アルベド＝反射された放射量と

入射太陽放射量の比太陽からの平均距離(天文単位)

入射放射量[W/m^-2]

アルベド放射平衡温度

金星 0.72 2600 0.78 224

地球 1.00 1370 0.30 255

火星 1.52 580 0.16 216

木星 5.20 50 0.73 88

地球の収支

毎日の温度が変わらない 地球が受け取る熱と払う熱が同じ

S0(1-A)πr2=4πr2I

I = 241Wm2

放射平衡温度

S0(1-A)πr2=4πr2I

I = 241Wm2

T＝255K＝-18℃

放射平衡温度T＝-18℃ 低い！！

そのナゾを解くカギは

大気は太陽放射に対してほぼ透明で吸収0

大気は地球放射に対して良く吸収する

放射平衡温度

太陽放射＝短波

地球放射＝長波

赤外放射5780K

255K

窓領域

地球大気は、

太陽放射はあまり吸収しない赤外放射は吸収する

波長11μmあたりを中心として8～12μm(黄緑のハッチ部分)の波長領域で、大気による吸収が弱い。つまり、この波長領域の放射は大気によってあまり吸収されることなく、地球大気外に到達できる。気象衛星観測で使われる領域。

σTa4=IE

σTg4=1.9IE

IE=241W/m2E を代入

Ta=255K=-18℃

Tg=299K=26℃

Ta

Tg

IE

0.9IE σTg4σTa4

σTa4

温室効果(greenhouse effect)

例

ある気層(温度Ta)は、太陽放射に対して吸収率α＝0.1、赤外(地球)放射に対して吸収率α＝1

地面：0.9IE+σTa4-σTg4=0

気層：0.1IE-2σTa4+σTg4=0

σTa4=IE

σTg4=1.9IE

Tg=299K=26℃

Ta

Tg

IE

0.9IE σTg4σTa4

σTa4

温室効果(greenhouse effect)

４．地球のエネルギーバランスアルベドと熱収支

地表面により異なるアルベド

地表面の状態 アルベド

裸地 10～25

砂、砂漠 25～40

草地 15～25

森林地 10～20

新雪 79～95

旧雪 25～75

海面(高度角25度以上) 10以下

海面(高度角25度以下) 10～70

地球大気の熱収支