発電を直ちにすべて原子力にしなければ地球温暖化で地球の気温は250℃になる 大気温度シミュレーション計算の中学生向け解説 地球の平均比熱 C、 温度 T、 時間 t
C・dT/dt = 1sec に太陽から地球に入射する電磁エネルギー - 1sec に地球から宇宙空間に放射する電磁エネルギー
という熱バランス方程式を元に計算すると、地球温度が250℃で熱平衡に達する (地球から宇宙空間に放射する電磁エネルギーは大気中の二酸化炭素濃度が増えると激減する) ▲△▽▼
地球の温度と温室効果 http://www.s-yamaga.jp/kankyo/kankyo-kankyo-3-1.htm
人間が作り出すエネルギーが大きくなりすぎてX点を超えてしまうと、地球は熱暴走を始め、海水はすっかり蒸発、石灰岩もすべて分解して、やっとD点(細かくいうとD点より少し温度の高いところ)で釣り合うようになる。そのとき地球の大気圧は水蒸気270気圧、二酸化炭素30〜50気圧の合計300〜320気圧、温度も200℃を越えるだろう。実際に、金星がこの状態である(図のE点)。金星は地球の90倍(90気圧)の大気を持ち、またその95%以上が温室効果ガスである二酸化炭素であるために、その温度は460℃〜480℃にもなっている(※2)。 地球の温度は、大きく見れば太陽からの放射エネルギー(地球が受け取るエネルギー)と、地球からの放射エネルギーが釣り合うところで決まる。物体が放射するエネルギーは、物体の表面積が一定ならば、その物体の表面温度(絶対温度)の4乗に比例している。これをステファン・ボルツマンの法則という。式で書くと
E(J)=σT4 ここで、σシグマはステファン・ボルツマン定数=5.67×10-8(J/秒・m2・K4) 地球の位置での太陽放射(太陽定数)は1.37×103J/秒・m2、それを地球全体に平均するとその1/4(1・2の(1)参照)、また地球の反射能(アルベド)は0.3だから(吸収しているのは0.7だから)、地球(地表と大気)が吸収している太陽放射は結局1.37×103J/秒・m2×0.7=2.40×102J/秒・mである。地球もこれと同じだけのエネルギーを放射しなくてはならない。この値をステファン・ボルツマンの法則に代入すると、 2.4×102(J・s-1・m-2)=σT4 σ=5.67×10-8(J・s-1・m-2・K-4) T4=4.23×109(K) T=255(K) (0℃=273Kだから255K=−18℃) 地球の温度は255K(−18℃)となる。これは実際の地表の温度より約33℃も低い。 なお、この詳しい計算についてはこちらも参照。 http://www.s-yamaga.jp/nanimono/taikitoumi/taikitotaiyoenergy.htm また、
<1・2 食料> で用いた太陽エネルギーは、地表が吸収しているエネルギー(地表に到達するエネルギー)で、上で用いている太陽エネルギーは
地表+大気(対流圏の大気) が吸収しているエネルギーであることに注意。
地球の温度が単純な計算値より高いのは、地球の大気には水蒸気や二酸化炭素、さらにはメタン、窒素酸化物、オゾン、フロンガスなどの温室効果ガスが含まれているためである。温室効果ガスは、太陽からの放射エネルギー(おもに可視光線)は通すが、地球から宇宙に出ていこうとする放射エネルギー(赤外線)を抑えるのである。そのために熱がこもって、ステファン・ボルツマンの法則から期待される温度よりも高い温度になってしまう。 ※ 物体が放射する電磁波の最大強度の波長はその物体の表面温度で決まる(ウィーンの変位則)。太陽のように表面温度が6000℃(5800K)の物体の最大強度は460nm(ナノメートル、黄色に見える)で、そのまわりの波長の電磁波が可視光線。そこで、太陽の放射エネルギーは大部分は、可視光線として放射されている。一方、地球程度の温度(-18℃であろうが、15℃であろうが)では、放射エネルギーは赤外線となる。 図6-3 温室効果
これをもう少し詳しく見てみよう。大気がない場合の地球(つまり月(※1))の放射エネルギーはステファン・ボルツマンの法則に従い、表面温度の4乗に比例する。このとき、太陽放射と釣り合う温度(図6-4のA点=約マイナス18℃)が月全体の平均温度であり、地球に大気がなかった場合の地球の温度ともなる。 図6-4 地球の温度と地球からの放射エネルギーの概念図:自然の数理(筑摩書房、数理科学シリーズ、1975年)などから作成
しかし、地球には海水として水が大量にあるし、さらに石灰岩も温度が上昇すると分解して二酸化炭素になる。つまり温度が上がれば上がるほど、大気中の水蒸気や二酸化炭素はどんどん増えて温室効果が強くなる。そのため温度が上がるとかえって放射エネルギーが低くなる。だが、すべての海水が蒸発し、またすべての石灰岩が分解すると、それ以上は温室効果は強くならないので、温度が上昇すると再び放射エネルギーは大きくなる。そこで、放射エネルギーのグラフは図の青線のようにいったん右下がりになったあと、再び上昇することになる。このグラフで、太陽放射と釣り合う温度は3カ所あるが、地球の温度はB点(約15℃)になる。 もし、太陽の放射がいまより少し(10%くらい)大きくなったり、あるいは人間が作り出すエネルギーが大きくなりすぎてX点を超えてしまうと、地球は熱暴走を始め、海水はすっかり蒸発、石灰岩もすべて分解して、やっとD点(細かくいうとD点より少し温度の高いところ)で釣り合うようになる。そのとき地球の大気圧は水蒸気270気圧、二酸化炭素30〜50気圧の合計300〜320気圧、温度も200℃を越えるだろう。実際に、金星がこの状態である(図のE点)。金星は地球の90倍(90気圧)の大気を持ち、またその95%以上が温室効果ガスである二酸化炭素であるために、その温度は460℃〜480℃にもなっている(※2)。 いくら人間が無限の、しかもクリーンなエネルギー源を開発しても、それを地球で使えば最終的には熱になる。熱暴走を起こさないためには、太陽エネルギーの10%以下に抑えなくてはならないこともわかる。実際には、こんなに使う前に地球の環境は完全に破壊されるであろう。 ※1 月のアルベド(反射能)は0.07なので、これを使って計算すると月の温度は276K(3℃)になる。 ※2 金星のアルベドは0.78もあり、地球よりも太陽に近いのにもかかわらず吸収している太陽エネルギーは地球よりも小さい。 補足:安定な平衡と不安定な平衡 図6-4で、地球放射と太陽放射が釣り合う点が3つある。B点とD点は、地球の温度が上がれば太陽放射より地球放射の方が大きくなり、出ていくエネルギーの方が大きくなるので温度が下がる。逆に、地球の温度が下がれば太陽放射より地球放射の方が小さくなり温度は上がる。ここは、負のフィードバックがかかっている。つまり、この点は地球の温度がちょっと変動しても必ず元に戻る。このような平衡を安定な平衡(釣り合い)という。 一方、C点はちょっとでも地球の温度が上がると、出ていくエネルギーの方が小さくなるのでますます温度が上がり、逆に温度が下がると出ていくエネルギーの方が大きくなるのでますます温度が下がる。ここは、正のフィードバックがかかっている。このような平衡を不安定な平衡(釣り合い)という。 安定な平衡、不安定な平衡は、坂に球(ボール)を止めることを考えるとわかる。右図の青い球は谷底と頂上で止まる。その青い球は、谷底では位置が少しずれても谷底に戻るが、頂上では少しでも左右にずれると坂を転がり落ちてしまう。谷底が安定な平衡のイメージ、頂上が不安定な平衡のイメージである。 ▲△▽▼ 2019年07月26日 過去2000年間における最近の気候変動の位置づけ https://sicambre.at.webry.info/201907/article_49.html 過去2000年間における最近の気候変動の位置づけに関する3本の論文が公表されました。過去2000年間の気候変動性については議論が繰り広げられてきました。とくに注目すべき時期としては、中世の気候異常、小氷期、気候に対する人間の影響に対応した過去150年間の急速な温暖化などがあります。これらの時期の範囲を決定することは、過去に気候変動性を引き起こした要因を明確に理解することと共に、困難な作業となっていました。 紀元後の産業革命以前における地球全体を対象とした気候変動に関する研究(Neukom et al., 2019)は、約700件の気温変化の代理指標記録をまとめたデータを用いて、気候変動性の全球パターンを評価しました。古気候研究では、中世は温暖で、小氷期はその名が示すように寒冷だった、とされています。しかし、この研究は、入手可能な古気候の証拠を評価し、中世の温暖化と小氷期、さらに100年単位での気候変動が、20世紀以前に地球上で同時に起こったことはなかった、と明らかにしました。たとえば、紀元後の時代で最も気温が低かったのは、中部太平洋地域と東部太平洋地域では15世紀、ヨーロッパ北西部と北米南東部では17世紀、その他の地域では19世紀でした。また、産業革命以前は、全球的に一貫した長期温暖化現象が起こっていないことも明らかになりました。一方対照的に、紀元後の時代における最も温暖な時期は、地球上の98%以上の地域において2000年間の最後の数十年間でした。最近の地球温暖化は、過去2000年間の気候変動と比較して空間的にきわめて一貫しており、現在の気候の性質の特異性を浮き彫りにしている、というわけです。 オンライン版での先行公開となるもう一方の研究(PAGES 2k Consortium., 2019)は、地表気温の上昇率と駆動要因の数十年間の平均値を調べました。その結果、少なくとも20年間の温暖化速度は、20世紀後半が最も高い、と明らかになりました。産業革命以前の気温の変動は、火山活動が主たる原因でした。この研究は、再構築とシミュレーションの結果が一致したことは、今後数十年間の気候予測が現実的である可能性を示唆している、という見解を示しています。 オンライン版での先行公開となる一方の研究(Brönnimann et al., 2019)は、19世紀前半の気候において火山噴火が果たした役割に関する詳細な分析結果を示しています。この研究は、一連の噴火があった後に寒冷化と気候変動(アフリカの旱魃や弱いモンスーンなど)が起こった、と報告しています。また、この寒冷化からの回復は、産業革命の初期の影響が現われた時期と重なったために、それぞれの要因の相対的な影響を判定することの困難さが増した、と指摘されています。 これらの研究結果を総合することは、産業革命前と20世紀の間に気候変動性がどのように変化したのか、詳細に解明するために役立ちます。人為的な地球温暖化への懐疑は今でも根強いのですが、産業革命以後の人為的活動が地球全体の温暖化をもたらしていることは、とても否定できないでしょう。ただ、それがどの程度の効果を有するのか、どの程度人材と資源・費用を投入すべきなのか、といった問題を短期間で的確に解決することはできそうになく、今後も議論と駆け引きが続きそうです。人類が気候変動に大きな影響を受けてきたことは間違いなく、人類進化の観点からは、数百万年単位でのより精密な気候変動の解明が期待されます。以下は『ネイチャー』の日本語サイトからの引用(引用1および引用2)です。 【気候科学】最近の温暖化現象は過去2000年間に類を見ないほど深刻 20世紀末の全球的な気温変化の速度と地域的広がりは、紀元後の時代(過去2000年間)における他の気候の変動よりもはるかに大きいことが明らかになった。この研究知見が、NatureとNature Geoscienceに掲載される2編の論文で報告される。これらの論文には、過去2000年間の気温の変化傾向を調べた結果が示されている。 過去2000年間の気候変動性については議論が繰り広げられてきた。特に注目すべき時期としては、中世の気候異常、小氷期、そして気候に対する人間の影響に対応した過去150年間の急速な温暖化などがある。これらの時期の範囲を決定することは、過去に気候変動性を引き起こした要因を明確に理解することとともに困難な作業となっていた。 今回、Raphael Neukomたちの研究グループは、約700件の気温変化の代理指標記録をまとめたデータを用いて、紀元後の時代における気候変動性の全球パターンを評価した。Natureに掲載されるNeukomたちの論文では、20世紀以前に気候時代が地球上で同時に起こったことはなかったことが報告されており、従来の考えと異なる研究報告になっている。例えば、紀元後の時代で最も気温が低かったのは、中部太平洋地域と東部太平洋地域では15世紀、ヨーロッパ北西部と北米南東部では17世紀、その他の地域では19世紀だった。また、産業革命以前は、全球的に一貫した長期温暖化現象が起こっていない。これに対して、紀元後の時代における最も温暖な時期は、地球上の98%以上の地域において2000年間の最後の数十年間だった。 Nature Geoscienceに掲載される論文では、Neukomたちは、地表気温の上昇率と駆動要因の数十年間の平均値を調べている。その分析結果によれば、少なくとも20年間の温暖化速度は、20世紀後半が最も高かった。産業革命以前の気温の変動は、火山活動が主たる原因だった。Neukomたちは、再構築とシミュレーションの結果が一致したことは、今後数十年間の気候予測が現実的である可能性を示唆しているという考えを示している。 こうしたテーマに関連して、Nature Geoscienceに掲載されるStefan Bronnimannたちの研究グループの論文では、19世紀前半の気候において火山噴火が果たした役割に関するさらに詳細な研究結果が示されている。この論文では、一連の噴火があった後に寒冷化と気候変動(アフリカの干ばつや弱いモンスーンなど)が起こったことが報告されている。この寒冷化からの回復は、産業革命の初期の影響が現われた時期と重なったために、それぞれの要因の相対的な影響を判定することの困難さが増した。 これらの研究結果を総合することは、産業革命前と20世紀の間に気候変動性がどのように変化したかを詳細に解明するために役立つ。 気候変動:産業革命以前の共通紀元における全球的に一貫した温暖期と寒冷期の証拠は存在しない
気候変動:中世の気候異常と小氷期が時空間的に一貫していたことを示す証拠はほとんどない 古気候研究における考えには、中世は温暖で、小氷期はその名が示すように寒冷だったというような、都合の良い要約がある。しかし今回、R Neukomたちは、入手可能な古気候の証拠を評価し、中世の温暖化と小氷期、そして他の100年スケールの気候変動が時間的にも空間的にも一貫していなかったことを見いだしている。小氷期の期間における寒冷期は、ある地域では15世紀に、別の地域では19世紀に生じていた可能性がある。対照的に、最近の地球温暖化は空間的に極めて一貫しており、今回の結果もまた、過去の気候変動と比べて現在の気候の性質が特異であることを浮き彫りにしている。 ▲△▽▼ 大惨事まであと2℃ 国連 地球温暖化による大規模食糧難を警告 2019年08月08日 https://jp.sputniknews.com/science/201908086567114/ 地球の人口は増加し、同時に人間による地球資源の消費量も増加する一方である。資源埋蔵量は無限ではなく、壊滅的な速度で枯渇しつつある。人間の利用に適した地球の表面も無限ではない。国連の専門家は、地球の気候変動の加速に伴い、ますます多くの人間が食糧不足に悩まされるだろうと警告している。 国連の気候変動に関する政府間パネル(IPCC)は、8月8日に、上記問題、また気候変動が土地利用にもたらす影響に関する報告書を発表した。
報告書の作成には2年以上費やされ、世界52か国から103名の専門家が参加した。研究者グループの最大の関心は、気候変動と土地・森林の相互の悪影響であり、土地と森林の作用により気候変動が起こることである。 専門家の評価によると、地球の平均気温が2℃以上上昇すれば、肥沃な土地は砂漠へと変わり、永久凍土地域に構築されたインフラが破壊され、干ばつや極端な気象現象が食糧の栽培と生産を脅かすとされている。 大惨事まであと2℃ 2℃という数字はパリ協定(気候変動枠組条約)で規定された最大値である。パリ協定の一員であるロシアは、温室効果ガス削減、石炭・石油・天然ガス使用量の削減、環境に優しいエネルギー源への迅速な移行という義務を負っている。 異常な暑さで茹で上がったムール貝 研究者らが温暖化の影響を報告 土壌と森林は、気候変動対策における人間の理想的なパートナーである。土壌と森林は二酸化炭素を吸収する機能を持ち、大気へのCO2排出増加を阻止している。しかし、国連砂漠化対処条約(UNCCD)の主任専門員であるバロン・ジョセフ・オー博士が指摘するように、不適切な資源管理が状況を完全に逆転させ、結果として、当該地域は地球温暖化を招く主要因となりつつある。 研究者の予測では、穀物の収穫量が減少し、当然の如く穀物価格の高騰が起こるとされている。穀物価格は2050年までに29%上がる可能性がある。 アメリカ一国だけでも、温室効果ガスが現在のペースで大気に放出され続ければ、今後60年間で、穀物と豆類の生産量は80%減少すると言われている。 さらに、大気中のCO2含有量が高まると、食糧の栄養価を下げ、食糧の質に悪影響を及ぼす可能性がある。現在既に、地球上の8億2千100万人が飢餓に苦しんでおり、15億人が鉄や亜鉛などの人間に必要な微量元素(ミネラル)を摂取できないでいる。 まだすべてを失ったわけではない IPCC報告書の意義は、危険を警告するだけでなく、人類に行動を呼びかけ、まだチャンスはあると念押しすることにある。対処法は地域により異なるが、基本的なステップはどこも同じだ。食糧栽培・生産チェーンを最適化し、20億ヘクタールを超える劣化した土壌の再生である。 アラスカ 氷が解け始めた水路に転落、5人死亡 記録的暖春が原因 WFF(世界自然保護基金)のジュアン・カムパリ氏は、「森林破壊と、新たな土地の農業利用を止める必要がある」と語る。
地球のすべての地域に効果的なもう一つのステップとしては、広大な土地での単一作物の栽培を止めることである。多様な植物栽培に戻る必要がある。これにより土壌の二酸化炭素吸収力が上がり、土壌侵食を防止することができる。そもそも、単に収穫量が増え、人々の生活レベルが向上する。 さらに専門家は、このような変革は政治家の努力なしには不可能だと指摘する。現時点で既に具体的な行動が必要だ。金融セクターや医療を含む、社会活動のあらゆる分野が変わっていかなければならないのだから。 地球温暖化は作り話ではない? 地球の気候を研究している多くの研究者たちは、現在、地球は温暖化しており、気温上昇が1.5℃程度に収まらなければ、根本的に地球環境が変わってしまうと危惧している。このことは、何十もの気象衛星や何千もの気象観測所、たくさんの海上のブイ、そして何百という地球の気候に関するコンピューターモデルの測定結果によって裏付けられている。 同時に、気候懐疑主義者らは、人為的な気候変動に関する科学コンセンサスを否定あるいは疑問詞している。このように、地球温暖化は今日の時点で、最も論争を呼ぶテーマなのである。 最も有名な反論者はアメリカのドナルド・トランプ大統領だろう。トランプ大統領が主導し、アメリカは2017年に気候変動パリ協定の離脱を表明した。気候変動パリ協定は、2015年に約200か国の参加のもと採択されている。
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