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地球の平均気温は約15℃ですが、もしも地球上にCO2ガスがなかったとすれば、平均気温は-18℃となると説明しているサイトがあります。
実際の、日本の最低気温は-41℃のようです。世界では-71℃とか、-89℃とかの記録があるようですが、現在の大気中のCO2濃度の場合、最低気温はいくらまで下がりうるのでしょうか。CO2ガスが大気中にない場合は、いくらまで下がるのでしょうか。

●質問者: hathi
●カテゴリ:学習・教育 科学・統計資料
✍キーワード:くらま サイト 地球 大気 現在
○ 状態 :終了
└ 回答数 : 3/3件

▽最新の回答へ

1 ● pantheran-onca
●27ポイント

まず、大きな誤解があるので申しておきますが、主要な温室効果ガスは「水蒸気」だということです。たとえ、CO2濃度がゼロになったとしても、地球の平均気温はー18℃にはなりません。


具体的な見積もりという簡単にはできませんが、概算でよければCO2濃度がゼロのときの平均気温について少しだけ見積もって見ましょう。次の論文には各温室効果ガスによる赤外吸収率が掲載されています。

http://www.warwickhughes.com/papers/barrett_ee05.pdf

この論文によれば、水蒸気が温室効果ガスに占める割合は93%です(光路長=100mの大気を仮定)。

地表の相対放熱量を143(490W/m2)とすると、その93%は約133(456W/m2)になります。この熱量をシュテファン・ボルツマンの法則に当てはめると、約26.5℃になります。(参考: http://blogs.dion.ne.jp/tacthit/archives/cat_238832.html )


ここから、潜熱輸送と空気への伝道による冷却過程を考慮すると、相対放熱量は103(353W/m2)となります(=133-24-6)。これをシュテファン・ボルツマンの法則に当てはめると約8℃という値が得られます。計算式を以下に示します。

353W/m2 = σT^4

T = (353/σ)^(1/4)

T ≒ 281K

σ : シュテファン・ボルツマン定数(5.67*10^-8)

T: 温度(ケルビン単位))

(ちなみに、通常の平均気温15℃は相対放熱量113(390W/m2)のときです。)

参考: 地球のエネルギー収支 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%B0%E7%90%83%E3%81%AE%E3%82%A...


つまり、CO2濃度がゼロのときの平均気温は約8℃程度となります。これは今の平均気温15℃よりも7℃ほど低い値ということになります。


それではご質問にある「最低気温」ですが、地球は赤道付近のように太陽放射の強いところもあれば、南極のように太陽放射の入射量が非常に小さいところもあります。

気候を平均といったもので表すと局地的な特性を無視することになります。気温についても同様に一概に正確な値を言うことはできません。上記の計算のように放射だけを考慮するならば、今よりも「7℃ほど低い値」が最低気温として得られる可能性がありますが、気温を支配する因子は複雑なので参考程度の値として受け止めてください。

◎質問者からの返答

ありがとうございます。全球レベルの計算値での説明は分かりました。

参考値として教えていただいたことは分かりました。

気温を支配する要素が多く複雑なことはわかります。凹面鏡のようなものがあれば、太陽光を集光するだけで局部的には地表上に3000℃を実現可能であることも分かります。 http://www.shse.u-hyogo.ac.jp/kumagai/Hjsss98/solar.htm#4 http://unit.aist.go.jp/chubu/ci/vm/sub3/sub3_07_2.html 自然環境ではそれほど優れた集光機能はないでしょうが、完全に乾燥し水蒸気の熱拡散が起きない条件下でなら、かなりの高熱になると思います。 たぶん 120℃くらいではないかと思います。 http://iss.jaxa.jp/iss_faq/faq_env_01.html

質問点は、局部的に可能な低温はどうかです。

一見 -150℃のようにも思えるのですが、地球には空気があり、地殻にも温度がある(いい加減な言い方で済みません)ので、常に熱が流入し、真空中で浮いている黒色粒体や白色粒体とは異なり、それなりの温度以下にはなれないではないかと思います。

海上では870hPa、台風については観測史上最低882hPa(2005.10.18)というのがあるそうで、そういうところでピート管でもあればさらに気圧は下がるでしょうが、自然状態では局部でもそれほどの低気圧は起きないと思います。 http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1469991...

http://www.ice.or.jp/~kenkyu16/h17ken/kaiha17/17rika/chemid/chbb...

天気予報でも局地の気温、湿度、風速、気圧等を予測するのは難しいと思うのですが、上限、下限はあると思います。

例えば、明日の東京都の天気(いい加減で済みません)で、(例えば標高10m地点で)1km2(あるいは10m2)の範囲で5分間以上継続して氷点下の気温になることは皆無ではないかと思います。

そのような意味で、水蒸気やCO2が現状通りでも、あるいはCO2がない場合でも良いですが、最低気温はどの程度まで下がるのでしょうか。あるいはこれ以下になる可能性は事実上ないという温度はどの程度でしょうか。


2 ● TNIOP
●27ポイント

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%8C%E9%85%B8%E5%8C%96%E7%82%A...

二酸化炭素は赤外線領域に強い吸収帯を持つため、地上からの熱が宇宙へと拡散することを防ぐ、いわゆる温室効果ガスとしてはたらく。

CO2そのものが温度を上げているわけではなく、CO2が地上の熱を宇宙に拡散させないことが気温上昇の原因です。

ですから、CO2が100%でも0%でも理論上は絶対零度である-273.15℃が最低気温になります。

もちろん現時点ではそこまでいくことはまずあり得ないですが、記録上での最低気温-89.2°Cを超えることがいつでも可能性としてありますので、将来的な予測での最低気温は-273.15℃ということです。

◎質問者からの返答

ありがとうございます。

月の表面で-153℃という記載もあります。http://www.moonsystem.to/detail/explore.htm。 -155℃という記載もあります。 http://www.planetary.or.jp/sub_earth.html 赤道部分で-160℃という記載もあります。 http://www.kaiseikan.jp/astronomy/solorsystem/moon/tuki.htm 1930年の測定で-169℃という記載もあります。 http://www15.ocn.ne.jp/~kagaku/ocn/tsu_wkk/p_wkk/hoshizorasanpo/... -170℃という記載もあります。 http://moon.jaxa.jp/ja/science/data.html http://moon.jaxa.jp/ja/qanda/faq/faq3/surface.html http://www.tdk.co.jp/techmag/museum/museum41.htm さらに-200℃という記載もあります。 http://www.s-yamaga.jp/nanimono/uchu/tsuki-03.htm

太陽光は休みなく照らしているので、全球での入射エネルギーは決まっています。極部分では入射角が低く、冬には元もと日照時間が短い。このような季節の極部分で昼間の日照時間帯に雲で大半の入射エネルギーを反射し、夜間に快晴で放射が最大限有効になっているとその部分の温度は低下しそうです。しかし、全球では太陽光から受けるエネルギーは変わらず、全球平均(これがよく分からない概念なのですが)では15℃だということだと伝熱はあるし、大気の移動による熱エネルギーもあるので、入力がゼロということはないはずです。そうすると最低気温-273.15℃にはならないのではないでしょうか。

太陽から見て常に地球の裏側にあり、地球からの放射エネルギーを受ける量も計測範囲外のような第2の月を仮想した場合には、その月の表面温度は-273℃になるように思います。

月の裏側が最低-170℃だとすると、球体としてもっと熱を持ち大気が熱移動(撹拌)させている地球では、最低温度はもっと高そうな気がしますが、どうなのでしょうか。


3 ● pantheran-onca
●26ポイント

これまでに地球上で観測された世界記録は、南極のヴォストーク基地で観測された?89.2℃だそうですね。ボストーク基地の標高は3488mもあるので、標高の高さも最低気温に影響してくると思います。

http://www.nipr.ac.jp/school/tairiku/03.html

http://www.tbs.co.jp/morita/qa_kion/faq_010809-06.html


高度が高いほど気温は下がります。これは気温減率(断熱減率)であらわされます。南極の氷床の平均の厚さは2450mもあるので、標高による気温低下はひとつの大きな要因だと思います。

http://www.nipr.ac.jp/school/tairiku/04.html


とりあえず、標準的な断熱減率の値として、1kmごとに6.5゚Cと仮定します。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%97%E6%B8%A9%E6%B8%9B%E7%8E%8...

すると南極で観測された最低気温は、標高0mなら-66.8℃に相当します。


一方、定住地の中で最低気温?71.2℃を記録したシベリアのオイミャコンの標高は740mぐらいのようです。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AA%E3%82%A4%E3%83%9F%E3%83%A...

これを断熱減率で0mにもっていくと?66.4℃となります。


標高0mを仮定した場合の最低気温は、南極のヴォストークもシベリアのオイミャコンも?66??67℃と近い値です。(異なる標高の気温を比べるときには「温位」の方が正確な値が得られますが、今回は簡易的に断熱減率で計算しました。)


南極やシベリアのように緯度が高くなるにつれ日射量は低くなります。以下のサイトによると、緯度90度のときは、40W/m2になるようです。

http://www.keirinkan.com/kori/kori_synthesis/kori_synthesis_b/co...

これをシュテファン・ボルツマンの法則に当てはめると?110℃に相当します。熱輸送がないときの下限値は、この?110℃という値になりそうです。

http://www9.plala.or.jp/oecchi/1_1_3weath_7.htm


ところで、他の回答にありましたが、絶対零度は物理的に到達することができません。これは熱力学第三法則ともいいますし、量子力学の制約から最低のエネルギー状態でも零点振動をとるためでもあります。また、太陽の入射がある限り、地球の気温の下限は存在するはずです。また、放射の緩和時間は大気量と比熱に比例します。昼夜の差を軽減しているのも大気が比熱を持つためです。

τ(放射の緩和時間)=CpM T/(σT^4)

http://221.243.18.148/tenki/pdf/52_05/p011_019.pdf


ちなみに、気圧には上限があるようですが、下限はないそうです。

http://www.tbs.co.jp/morita/qa_hlf/faq_050124-3.html

◎質問者からの返答

とてもありがとうございます。

気圧に下限がないというのは、どういうことでしょうか。(真空=0mmH2O)のようなことがあるということでしょうか。

http://www2.kobe-u.ac.jp/~iwayama/teach/gfd/2004/chap7.pdf に低気圧の気圧傾度には制限がないということが書かれていますが、この結果、到達点としても気圧はいくらでも下がっていきうるということでしょうか。

本題について、

http://www.keirinkan.com/kori/kori_synthesis/kori_synthesis_b/co...

ここに記載の日照量はその緯度が1年の中で一番多くの日照を受ける季節の正午値でしょうか。

緯度90度の場合、冬だと日照はありません。

http://www.lizard-tail.com/isana/review/view.php?search_id=20041...

http://221.243.18.148/tenki/pdf/52_05/p011_019.pdf

教えていただいた下記のURLは、なにかとても重要なことが書いてあるらしいと感じるのですが、良く読み取れません。(後日じっくり読みます)

なお、この説明は100日の緩和時間が地球上では掛かると読むのでしょうか?(済みませんが、読み方がわからないので)

.放射の緩和時間は大気の持っている熱エネルギーを単位面積当たりの吸収エネルギーで割ったものです.つまり,放射の緩和時間は,現在大気が

持っている熱エネルギーを与えられた吸収エネルギーにより0から構築するのに要する時間です.次の欄には一昼夜の時間,その次には一昼夜と放射の緩和時間との比が示されています.

どう読み取るのかわかっていないのですが、日射の変化に対する追随制(レスポンス)は非常にゆっくりということでしょうか。

実感としては、乾燥した砂漠では日較差がかなりありますし、………

http://siztenki.sakura.ne.jp/datasyu/016.html

教えていただいた[地球で100日=τ(放射の緩和時間)=CpM T/(σT^4)]の意味がわかっていませんので、申し訳ありません。

緯度90度の地域で日照がない季節には(大地の蓄熱量+大気や海流等が運んでくる熱?放射+温室ガスの効果)で温度が決まるのでしょう。

ある地点で流入する熱が少ないと放熱で、周りよりも温度が下がりますが、結果として他との温度勾配が大きくなり熱が多く流入するとか、高気圧が発生するとか、色々なことが起きると思います。ただ多くの要素は熱の流入に関わるので、流入があまり起きないと仮定して、なにかの計算をすれば、(計算のパラメータとしては、全球温度、現実に観測されている緯度90度の平均的な地温を初期値(冬に入る直前を0℃)として、地軸の傾きを計算に入れて、大気はいつも快晴、日照がない状態が続いた冬の満5ヶ月(150日)経過というような日で計算するとどうなるんでしょうか。

何となく、そうした計算をした結果が、地上で起きうる最低気温のような気がするのですが………

(人為的にはもっと下げられるのはわかります)

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