CO2がふえても温室効果は強まらないという議論(飽和論)への反論

「CO₂による吸収は飽和しているからCO₂がふえても温暖化しない」という議論(ここでは仮に「飽和論」と呼びます)について、東京大学IR3SからIR3S/TIGS叢書として公開されている「地球温暖化懐疑論批判」では議論27として、東北大学の明日香さんのサイトから公開している「地球温暖化懐疑論へのコメント Ver.3.0」では議論26として、反論しました。

最近、その反論を名指しで反論する記事を見かけました。あるブログの古い記事に対するコメントになっており、そこで議論を続けるのはあまり適当でないと思いましたので、ここに移って論じることにします。

この記事は上記の2つの文書の著者を代表する立場で書いてはおりません。また、この記事は、知識を整理することをブログの履歴を明示することよりも重視し、とくにことわらずに改訂する可能性があることを、あらかじめおことわりします。

飽和論への反論は、大きく分けて次の3点があります。ただし第3点は「地球温暖化懐疑論批判」や「地球温暖化懐疑論へのコメント」では省略しました。

• 1. 吸収が飽和している波長域についても、吸収物質量が多いほど熱放射が宇宙空間に出て行くまでに吸収・射出をくりかえす回数がふえるので温室効果は強まる。
  
• 2. CO₂による吸収のある波長域のうちには、水蒸気その他の効果を合わせても飽和していない波長域がある。
  
• 3. 地表付近と成層圏とでは圧力の桁が違う。圧力が高いほど、分子間の衝突によるエネルギー交換が起きやすいので、波長の軸の中での吸収線の幅は広くなる。したがって成層圏のCO₂による吸収は地表付近の気圧の場合よりも飽和しにくい。
  

第1点のしくみの大筋を説明します [この部分、助言をいただいて加筆しました。2010-09-16][さらに加筆・改訂しました。2010-10-01]。

まず、放射を吸収する物質は放射を射出する物質でもあり、波長別にみて吸収率と射出率は等しいです。以下、地球放射(地表と大気の両方を含む)の波長域の電磁波を吸収・射出する能力をもつ分子を仮に「吸収体分子」と呼びます。

吸収体分子が吸収した放射のエネルギーは、まず吸収体分子の振動(または回転)のエネルギーになりますが、分子どうしの衝突によって、それを含む空気の内部エネルギー(分子運動のエネルギーの総体)に移っていきます。これが、放射を吸収して気温が上がるということです。あらためて、内部エネルギーの一部が吸収体分子の振動のエネルギーになり、その振動に見合った波長の放射として出て行きます。これが、放射を射出して気温が下がることにあたります。いったん内部エネルギーに変わるので、吸収される放射と射出される放射は同じ波長とは限りません。

放射が通る経路の長さが同じでも、吸収体の濃度が高いと、吸収体分子にぶつかって吸収され、内部エネルギーとなり、あらためて吸収体分子から射出される、ということが起こる回数が多くなります。その結果として、温室効果が強まる、つまり地表面温度と地球の有効放射温度(地球から宇宙に出て行く放射の代表温度)との違いが大きくなるのです。

さて、今回見かけた飽和論を主張しているかたは、CO₂による吸収の強い15μm付近の波長域に注目し、観測例の論文(それ自体は飽和論ではない)を参照して「観測値では地表からの上向き放射の地球放射と大気からの下向きの大気放射は同じ値」と述べておられます。この観測事実自体はもっともです。地表に届くこの波長域の下向きの放射は低い(地表に近い)ところから来ているので、そこの気温と地表面温度との違いは少なく、また(この波長域に限った)大気の射出率(同じ温度の黒体放射に対する実際の放射の比率)は1に近いので、上向きと下向きの放射の大きさはあまり違いません。

しかし、温室効果を反映しているのはこの違いではなくて、大気上端から外に出て行く上向き地球放射と、大気から地表面に向かう下向き大気放射とが違うことなのです。同じ大気のうちでも、宇宙空間に出て行く放射を出しているところと、地表面に向かう放射を出しているところの温度は違ってよく、したがってそこから出る大気放射の大きさは違ってよいのです。この違いは、地球放射が吸収・射出をくりかえす回数がふえるほど大きくなります。

第2点に関しては、CO₂による吸収は15μm帯ばかりではないことと、15μm帯周辺(とくに短波長側)での水蒸気による吸収は飽和していないことに注意してほしいと思います。ただし、吸収の強さは波長の非常に細かな違いでも大きく違いますので、文献やウェブサイトに図の形で示されたものは、専門家が注意深く作ったものであっても、必ずしも正確な数値を示していません。(すなおに吸収率のグラフを作ると、横軸のわずかな長さのうちに縦軸の値が大きく変化するので、ほとんど真っ黒になる部分もあります。そういう波長域こそ、吸収率が吸収体濃度に敏感なところなのです。) 本気で数値を知りたいのならば専門家向けの数値データ集を見る必要があります。数値自体ではなくその大まかな特徴をよく表わしていると思われる図として、1分子あたりの波長別吸収能力については浅野「大気放射学の基礎」の本の図3.1 (Bohren and Clothiauxの本より)、大気全層の成分別波長別透過率(地球放射の波長域では「1-吸収率」と見てよい)については同じ本の図2.8 (Pettyの本より)などをごらんください。

第3点は、1955年ごろにPlassという人の研究で明らかになったことで、その話はWeart (ワート) 「温暖化の発見とは何か」の第2章に出てきます。地上の気圧のもとで計測された吸収率をそのまま大気に適用すると吸収が過大評価になりがちで、精密な計算には大気放射学の基礎の本で「不均質大気」と呼ばれている扱いが必要になるのです。

文献

• 浅野 正二, 2010: 大気放射学の基礎。朝倉書店。
  
• S.R. Weart (ワート), 2003, 日本語版2005: 温暖化の<発見>とは何か。みすず書房。
  

masudako

Comments

[1. クロップサイエンス]

空気が温度に応じて熱放射として黒体放射するならば、15μmの赤外線はそのごく一部ですから、地表からの地球放射と大気放射が等しいという観測事実と合いません。
http://www.asahi-net.or.jp/~rk7j-kndu/kenkyu/ke03.html
炭酸ガスの吸収波長15μmに隣接した飽和していない波長域はありません。長波長側は隣接部分が完全に水蒸気に吸収されています。短波長側は水蒸気の吸収率は100%ではありませんが、かなり吸収しているので、炭酸ガスと水蒸気の吸収効果を合わせた吸収線は炭酸ガス単独の場合よりも左側にずれています。従って、濃度が倍増しても吸収の余地はほとんどありません。
http://feliscatus.web.fc2.com/spectra.html
1900年頃に大気上端までの量に相当する炭酸ガスを空気に加えた管に赤外線を通し、同様にその2倍の炭酸ガスを加えた管の場合と比較する実験が行われました。結果は通過した赤外線の量はほとんど変わらないというものでした。これにより、当時の科学者たちはアレニウスによる「炭酸ガスが倍増すると温暖化する」という説は論破されたと考えました。
Pettyの図では0.1気圧になると1気圧の場合よりも炭酸ガスの吸収ピークが小さくなり、幅も狭くなっています。一見、成層圏では飽和しにくく見えるのですが、この図はわずか1mの空気柱での結果です。100m、1000mになると0.1気圧の成層圏19kmでも飽和してしまいます。
http://www.sundogpublishing.com/fig9-13.pdf
人工衛星ニンバスからは炭酸ガスが吸収する15μmの波長で見ると、-53℃の成層圏下部が見えています。
http://www.warwickhughes.com/papers/barrett_ee05.pdf
、-53℃という非常に低い温度になると飽和するだけの炭酸ガスがあったとしても15μmの赤外線を吸収できないようです。
ということで、対流圏だけでなく、成層圏でも炭酸ガス濃度の増加による15μmの赤外線の吸収の余地はありません。

[2. masudako]

大気からの赤外線射出は内部エネルギーがもとなので「熱放射」ではあるのですが、実際の射出物質は赤外線吸収物質と同じ種類の分子です。黒体放射そのものではなく、それに、射出物質濃度や圧力(分子間衝突の激しさ)などで決まる、波長ごとに違った射出率がかかった強さのものになります。

ある厚さの空気層で、ある波長域の赤外線に対する吸収率が100%に近ければ、その層に吸収物質をふやしても、そこに外からはいってきた赤外線の吸収はふえません。この意味で「吸収が飽和している」と言えます。

しかし、吸収物質が少なかったときに比べて、浅い空気の層で「吸収が飽和」することになります。つまり、大気全体の量が変わらなくても吸収物質の濃度がふえれば、「吸収が飽和」した大気の層の数がふえるわけです。そして、この各層は吸収だけでなく射出をします。大ざっぱに言えば、お互いに隣の層から射出された放射を吸収していることになります。(それより遠い層からの放射は実質的に届きません。) どこが「隣」であるかが、吸収物質濃度によって変わるのです。

吸収・射出のくりかえし回数がふえると言っても、もし吸収されたのと同じ波長、同じ強さの電磁波が出てくるのであれば、回数がふえないのと同じですし、その場の温度に影響を与えないはずなので、温室効果が強まることにはなりません。

いったん内部エネルギーになってあらためて射出されることのくりかえし回数がふえることが、温室効果が強まることになるのです。ただし、この場合、各層の温度や上向き・下向きの放射の強さを決めるためには、すべての波長の放射伝達、さらに対流による鉛直エネルギー輸送が無視できない場合はそれも合わせて計算する必要があります。特定の波長帯だけを見て温室効果の強さを論じることはできません。

[3. クロップサイエンス]

「波長ごとに違った射出率がかかった強さのものになります。
」ということは吸収した時と違う波長での放射も含まれるということになります。
そうだとすれば、炭酸ガスが吸収できる15μmの波長について、地表からの地球放射と下向き大気放射が等しいという観測された事実と合いませんが、その点はどのように説明できますでしょうか。

「吸収物質の濃度がふえれば、「吸収が飽和」した大気の層の数がふえるわけです。」ということですが、炭酸ガスは吸収可能な15μmの赤外線を1mで90%以上、5mで98.4%、10mで100%吸収します。仮に10mで1層としても10kmの高さまでに1000層もあることになります。そもそも多層大気モデルは机上の空論、空想の産物で現実の大気には全く当てはまりません。
観測された事実で確認されたものではありません。

「もし吸収されたのと同じ波長、同じ強さの電磁波が出てくるのであれば、回数がふえないのと同じですし、その場の温度に影響を与えないはずなので、温室効果が強まることにはなりません。」という記載がありますが、実際の炭酸ガスではそういうことになっていると思います。
吸収されたのと同じ波長、同じ強さの赤外線が出てくると、大気の窓領域以外の波長では、地表からの地球放射と下向き大気放射が同じという観測事実と合います。
炭酸ガスによる吸収は飽和していますから、これ以上に炭酸ガス濃度が上昇しても温室効果は高まりません。

[4. masudako]

15μm帯の地表での上向き放射と下向き放射がほぼ等しいのは、下向き放射を出す空気が地表に近くてその温度が地表面温度に近く、またこの波長帯の射出率が空気も地表面も1に近いからです。放射の因果関係がこの波長帯で閉じているわけではありません。なお、地表に近い空気の温度が地表面温度に近いのは対流によるエネルギーのやりとりがあるからで、もし放射過程だけならば不連続が生じます。

吸収が飽和した層からなる多層モデルを定量的に現実に対応させようとすると、波長帯ごとに層の数を変えなければならず、しかし同じ高さの温度は波長が違っても共通にしなければならないので、無理が生じます。

しかし、各波長帯ごとに、放射を吸収する大気の層は射出する層でもあり、地表面と上にじゅうぶんな吸収体分子がない高さを別とすれば、各層は上下両方に放射を射出するとともに上下両隣の層からの放射を受け取っている、という構造はあります。

もし常に吸収されたのと同じ波長で同じ強さの電磁波が出るのであれば、地表面が出す上向き放射と大気の外に出て行く上向き放射とは同じ値になるはずでしょう。クロップサイエンスさんは、地表面の事例(15μm帯に限れば288Kの黒体放射に相当)では大気上端でも288K、大気上端の事例(220K)では地表面でも220Kの黒体放射に相当する値が観測されるとお考えなのですね。

[5. masudako]

なお人工衛星ニンバスによる大気圏外での上向き放射のスペクトルの観測値のグラフの出典は、Barrett氏は書き忘れていますが、次の論文です。

R. Hanel, B. Conrath, V. Kunde, C. Prabhakara, I. Revah, V. Salomonson, and G. Wolford, 1972: The Nimbus 4 Infrared Spectroscopy Experiment, 1. Calibrated thermal emission spectra, Journal of Geophysical Research, Vol. 77, 2629-2641.

残念ながら本文全体がインターネット上に公開されたものは見あたりません。要旨は次のところにあります。
http://europa.agu.org/?uri=/journals/jc/JC077i015p02629.xml

[6. クロップサイエンス]

「放射の因果関係がこの波長帯で閉じているわけではありません。」というのはそうだとは思いますが、地表からの地球放射は熱収支図の中では一番の大口ですから、最重要の部分で軽視すべきではありません。

それ以外では対流、潜熱などによって熱が上空に運ばれることは、熱収支図にある通りでもちろん承知しています。

多層大気モデルにこだわって地表付近と大気上層との間の層で多数の層間の放射のやりとりを想定していますが、熱収支図を見るとわかる通り、そういうことを全く想定しなくても熱収支の説明がついてしまいます。
やはり、多層大気モデルは現実の大気では実質的な意味を持たない空想の産物としか思えません。

「もし常に吸収されたのと同じ波長で同じ強さの電磁波が出るのであれば、地表面が出す上向き放射と大気の外に出て行く上向き放射とは同じ値になるはずでしょう。」は意味不明です。
masudakoさんは地表からの地球放射と大気上端からの放射をごちゃまぜにした議論をしています。
この二つは分けて考えなくてはいけません。

熱収支図を見ると、地球から熱が宇宙に出ていくルートは二つあります。一つは地表からの地球放射のうち、大気の窓領域の波長の部分が直接宇宙に出て行くルートです。
これは放射冷却に相当します。
もう一つはけん熱・対流、潜熱、日射のうち大気・雲の吸収分、地球放射のうち雲の下面などの吸収分が高空からの放射で宇宙に出て行くルートです。
http://www.data.kishou.go.jp/climate/cpdinfo/ipcc/ar4/ipcc_ar4_wg1_es_faq_chap1.pdf

[7. クロップサイエンス]

私が述べたのは、一つ目のルートの地表から出た地球放射のうち、炭酸ガスが吸収できる波長15μmと同じ波長、強さで炭酸ガスによる放射が生じるから、観測された15μmの地表からの地球放射と大気放射が同じ値になるということです。
15μmの地表からの地球放射は全部地表に戻りますから、宇宙まで届きません。

「クロップサイエンスさんは、地表面の事例(15μm帯に限れば288Kの黒体放射に相当)では大気上端でも288K、大気上端の事例(220K)では地表面でも220Kの黒体放射に相当する値が観測されるとお考えなのですね。」については、私が逆の主張をしているかのように書いていて、誤解しています。

炭酸ガスが吸収可能で温室効果を発揮できる15μm帯の赤外線に対する吸収力はものすごく強くて、わずか数mで吸収しつくしてしまいますから、15μm帯の地表からの地球放射は大気上端まで届きませんし、220Kの大気からの放射は地表まで届きません。
15μmの赤外線はわずか数mしか進めません。

もしも、温度が低いことが炭酸ガスに15μmの赤外線が吸収されないことの原因にならないならば、地表温度が-65℃の南極で、15μmに大きな下向きピークが生じますし、成層圏下部の220Kからの放射にも220Kを大きく下回る深い下向きピークが観測されるはずですが、そのようにはなっていません。
従って、「成層圏のCO2からの15μm帯の放射が宇宙空間に出て行けるのは、成層圏の温度が低いからではありません。」については観測事実と合いません。
http://www.warwickhughes.com/papers/barrett_ee05.pdf

成層圏上部の大気は非常に希薄だから炭酸ガスの赤外線吸収力が低いという部分は合っていると思います。

[8. masudako]

大気中の放射伝達を論じるときに、端(この場合地表面)で射出されたもののゆくえだけを論じる場合と、途中(大気内)で射出されたものも含めて論じる場合とがあり、区別が必要です。宇宙空間に出て行く放射や気温がどう決まるかを論じるときには、途中での射出を合わせて考えなければなりません。

地表面からの上向き放射が反射して地表面に帰ってくるわけではありません。

地表面からの上向き放射のうち15μm帯の部分は、地表に近い大気層に吸収されてしまいます。その大気層は、上向き・下向きの両方に放射を出します。そのうち下向きのものが、地表面に達するのです。上向きもあるので、ここから下だけで因果関係が閉じているわけではないのです。

上向きのものは、いわばその上隣の大気層に吸収されます(実際は連続的に少しずつ吸収されていくのですが)。隣どうしの大気層の温度はほとんど同じですが、少しずつ違います。対流圏ならば高さとともに断熱減率に近い(やや小さい)温度減率で温度が低くなっていくのがふつうです。

そして、もはやそこから上に1回吸収しつくすだけのCO2がない高さのところから(15μm帯に関する限り)そこの気温の黒体放射に近い強さの放射が宇宙空間に出ていくわけです。

[9. クロップサイエンス]

上記では、15μmの地表からの地球放射は炭酸ガスに吸収された後、上向き放射と下向き放射に分かれて放射され、上向き放射は吸収と放射を繰り返しながら、大気上端に達して、宇宙に向けて放射されるとしています。ということは、地表で観測される15μmの大気放射は地表からの地球放射の50%になってしまい、100%(地表からの地球放射と下向き大気放射が同じ大きさ)になっている観測値と合いません。
IPCC4次報告が引用している熱収支図では大気の窓領域以外の地表からの地球放射350の大部分が、炭酸ガスと水蒸気に吸収されて、下向きの放射324として地表に戻っています。半分が地表に戻らずに上向き放射として、宇宙に出ていくようにはなっていません。熱収支図でも合いません。
http://www.data.kishou.go.jp/climate/cpdinfo/ipcc/ar4/ipcc_ar4_wg1_es_faq_chap1.pdf
大気に含まれる炭酸ガスの15μmの赤外線に対する吸収力はものすごく強く、15μmの赤外線は実験によると10mも進めません。これは炭酸ガスが吸収と放射を繰り返した上でもそれ以上に進めないということです。
一度吸収した後の上向きの15μmの赤外線は炭酸ガスによる吸収と放射を繰り返しながら、大気上端に達してそこから宇宙に出ていくというストーリーは、炭酸ガスによる吸収の飽和のことを無視したもので、起こり得ません。
Pettyの図を見ると、わずか1mの空気柱でも15μmの赤外線の吸収率は90%以上です。
http://www.sundogpublishing.com/fig9-13.pdf
仮に半分吸収される平均吸収距離を0.7mとすると、上向き放射は0.7mで2分の1、0.7m×2で2の2乗分の1、0.7m×3で2の3乗分の1となります。同様に0.7m×10で2の10乗分の1、すなわち1024分の1が上向き放射になります。7mでほぼゼロになり、実験値でも10mでゼロになるのです。
上向き放射が多層の大気による吸収と放射を繰り返しながら、大気上端まで達して宇宙に出ていくというモデルは観測された事実と合わない空想の産物で、成り立ちません。

[10. masudako]

コメント8で書いたことをクロップサイエンスさんにはわかっていただけなかったようで残念です。8だけでなく、2, 4を合わせて考えていただきたいです。(4の最後のクロップサイエンスのお考えに関するわたしの推測は取り消します。)

吸収率が高いならばそこに来る放射は確かにほとんど通り抜けませんが、射出率も高いのでそこから出て行く放射はあります。

IPCC第4次第1部会報告書の図FAQ-1の「長波」は約4μm以上の波長域全体です。もちろん15μm帯も含みますが、吸収の少ない10μm帯なども含んだものです。

残念ながら放射収支の説明は、定量的に正確にするか単純に表現するかの一方はできても、両方同時にするのはむずかしいです。「簡単な問いには簡単な答えがあるか? そうとは限らない」(http://blog.livedoor.jp/climatescientists/archives/453913.html )もごらんください。

[11. クロップサイエンス]

理解が足りないとか、勉強が足りないとかの問題ではありません。明らかに誤っているとしか思えない論理をわかってくださいというのは無理なことです。
そもそも100年も前に炭酸ガスを倍増させる実験で赤外線の吸収が増えないことが確かめられて論破された温暖化炭酸ガス原因説がいくつかの信頼性の劣る発表によって蒸し返されて、いかにも通説のようにふるまっていることに大変な無理があるのです。
アメリカの国立研究所では形勢は既に逆転していて、温暖化炭酸ガス原因説は過去のものとなり、現代の「天動説」を信じている人は少数派になっています。
「吸収率が高いならばそこに来る放射は確かにほとんど通り抜けませんが、射出率も高いのでそこから出て行く放射はあります。」というのは、炭酸ガスが吸収可能な15μmの赤外線は大気中の炭酸ガスに吸収されて10mも進めないという事実を無視したもので、射出、吸収の繰り返しにより大気上端に達するという理屈はありえません。
熱収支図の放射は15μm以外の熱赤外線を含んでいることはもちろん承知しています。広い波長域を占める水蒸気の吸収波長域でも炭酸ガスと同様に地表からの地球放射に対して吸収の飽和が生じています。

[12. masudako]

クロップサイエンスさんはわたしが何を言っても考えを変えないかたのようですので、読者のみなさんに向けて申します。

「吸収が飽和する」ことが起きても必然的に「温室効果が飽和する」ことにはなりません。放射伝達は個別の光子が吸収されずに透過することばかりではないのです。

大気の吸収の強い波長域についてみると、ある高さの大気層からは上向きにも下向きにも光子が射出され、上下ともすぐ近くの大気層で吸収されます。隣りあった大気層の出す放射がまったく同じ量ならば正味でエネルギーの流れはありませんが、わずかながら差があるので、放射によってエネルギー伝達が起きているのです。

(光子のような量子と生物とでは個体の意味が全然違いますが、人間個人は200年も生きられないにもかかわらず、日本の歴史は少なくとも1300年続いている、というように、違った意味での「続きかた」があるのです。)

[13. おおくぼ]

素朴に考えました。

温室効果ガスが、赤外線を吸収して、そして放射する。
吸収できる限界ギリギリまで吸収しても、放射すれば、また吸収できると思うのですが・・・。
倉庫で考えると、放射したら、空きスペースができるわけですから。

★

温室効果ガスが増えれば、吸収量は増えると素朴に思うんですが。
倉庫を増やしたのと同じだし。

[14. masudako]

時間的に、赤外線を射出した分子がまた吸収するというくりかえしがあり、だから吸収・射出が持続できるのだというのは、おおくぼさんのおっしゃるとおりですが、ここでの話題はそういう時間的持続ではありません。吸収の強さが吸収体の分子の数とどういう関係にあるかという話です。

もし、陸や海から来た放射が大気で吸収されることだけを考えるならば、大気中の吸収体の分子数がふえれば吸収はふえますが、そのふえかたは吸収体がふえるにしたがって鈍ってきます。来た放射を全部吸収してしまえば終わりですから。

しかし、吸収体分子を含む大気中では射出も起こるのです。吸収体がふえると、射出されてから吸収されるまでの鉛直距離の平均が小さくなります。同じ鉛直距離の層をとれば、その層をエネルギーが放射として抜ける間に起こる吸収の回数が(射出の回数も)ふえるわけです。この効果は鈍りません。

[15. おおくぼ]

この話はよく理解できないんですが・・・。

http://www.cger.nies.go.jp/ja/library/qa/4/4-1/qa_4-1-j.html

閉鎖した空間で、エネルギーが外に逃げないという話にも聞こえるんですが。
でも地球は閉鎖しているわけではないので・・・。

★

原子数の多い分子の方が温室効果が高いという話なら理解できます。

例えば、メタンの方が二酸化炭素よりも温室効果が高いとか・・・。

あと同じ原子数の分子でも、原子と原子を繋ぐ角度によって温室効果が違う話も理解できます。
例えば、水蒸気の方が二酸化炭素よりも温室効果が高いとか・・・・。

あと下向きの放射は、雲の量に大きく左右されるという話も理解できます。

[16. おおくぼ]

断熱圧縮とは別の話なのでしょうか？

[17. masudako]

おおくぼさん(#15、#16):

地球の大気・水圏はエネルギーの出入りが近似的につりあった状態にあるのですが、CO2などがふえると、つりあった状態がシフトする、というふうに考えます。

温室効果に効くのは3原子以上の分子です(一酸化炭素のような非対称な2原子分子も多少効きますが)。電磁波のエネルギーは振動数に応じたかたまり(光子)でやりとりされるのですが、赤外線の光子に相当するエネルギーのかたまりで起こりうることは、分子の振動と回転です。ところが窒素・酸素などの対称な2原子分子やアルゴンなどの1原子分子には有効な振動や回転の固有モードがないのです。3原子以上では原子数と吸収・射出の強さとは簡単な関係にはありません。CO2のようなまっすぐな分子よりも、H2Oのような曲がった分子のほうが、有効な振動・回転モードが多いです。

断熱圧縮は対流過程に伴って問題になります。鉛直温度勾配が、断熱変化で決まる勾配に比べて下のほうが高温ならば、対流が起こって断熱勾配に近い状態になります。断熱勾配よりも下のほうが低温な状態は安定で自発的には断熱勾配に近づきません。

[18. おおくぼ]

＞地球の大気・水圏はエネルギーの出入りが近似的につりあった状態にあるのですが、CO2などがふえると、つりあった状態がシフトする、というふうに考えます。

温室効果ガス層の厚みが増すということでしょうか？
それだと倉庫が増えるというのと同じ気がするんですが・・・。

[19. masudako]

>温室効果ガス層の厚みが増すということでしょうか？
赤外線が通る経路でぶつかる吸収体分子の数がふえることを「(赤外線に対する)光学的厚みが増す」ということはありますが(天文学の人がよく使う表現)、
>それだと倉庫が増えるというのと同じ気がするんですが・・・。
エネルギーをためる能力(熱容量)がふえるわけではありません。いわば、エネルギーが外に抜けていく効率が下がるのです。話が長くなるので別記事にします。
http://blog.livedoor.jp/climatescientists/archives/1274151.html

[20. masudako]

11月10日の「ふろおけモデル -- たまりと流れのあるシステムの準定常状態」http://blog.livedoor.jp/climatescientists/archives/1274151.htmlに、12月11日にクロップサイエンスさんからコメントがありました。これに直接反論すると前とまったく同じ話になるのでそれは避け、関連する事実の指摘をします。

まず、地球放射は15μm帯だけではありません。他の波長帯を合わせて広域で平均すると、地表では上向きのほうが下向きよりも50 W/m2くらい大きいです。

次に、15μm帯に限ってみると、地表面に達する地球放射を出しているのは、おもに地表面から数十メートル程度のところの大気層であるはずです。この大気層は上にも熱放射を出しています。この薄い大気層が定常状態にあるとしてエネルギー収支を考えてみます。薄い層ですから上向き・下向きに出す地球放射量は同じと見てよいでしょう。またこの層は地表面からだけでなく上の大気からも放射を受けとります。上に出す放射の量と、上から受け取る放射の量には、観測にかかるほどの違いがないかもしれません。しかし、このような層が百層くらい重なったところから上に出て行く放射の量は明らかに地表から出る放射より小さいです。そこから理屈で各層に分けてみると、各層それぞれは、上から受け取る量よりもわずかに多い量の放射を上向きに出しているはずです。この差は、各層ごとに見ると無視できそうですが、多数の層の合計は無視できないのです。

[21. クロップ・サイエンス]

「他の波長帯を合わせて広域で平均すると、地表では上向きのほうが下向きよりも50 W/m2くらい大きい」のは水蒸気と炭酸ガスが地球放射を吸収できない大気の窓領域がある以上、当然のことです。
しかし、炭酸ガスによる赤外線の吸収の飽和の議論とは直接関係しません。

「15μm帯に限ってみると、地表面に達する地球放射を出しているのは、おもに地表面から数十メートル程度のところの大気層」という所から、現在の大気中の炭酸ガスによる15μmの地球放射の吸収がものすごく強いことを十分に理解していないことが明らかです。

Pettyの図によると、わずか1mで90%以上吸収されます。計算値では5mで98.4%、実測値では10mで100%吸収されます。
ということは、平均吸収距離は1m以内であり、数十mではありません。
http://www.sundogpublishing.com/fig9-13.pdf

地表から来た地球放射を炭酸
ガスが吸収し、上と下に半分ずつ放射するとすると、下向き大気放射は地球放射の50%となり、100%となる大気放射の観測値と合いません。

地表には地表からの地球放射と同じ大きさの下向き大気放射が届いていますから、炭酸ガスの吸収波長の15μmについて、多層の間で次々と吸収と放射を繰り返すことにより、地表から宇宙へと放射が出て行く排熱のルートは熱収支上ありえません。

[22. クロップサイエンス]

「層が百層くらい重なったところから上に出て行く放射の量は明らかに地表から出る放射より小さいです。」について、
それが15μmの話とすると、それは地表近くで地球放射が炭酸ガスにより全部吸収されてしまって上空に届かないためです。

また、標高が高くなると気圧の低下とともに断熱膨張の効果により(温室効果の差によるものではない)、温度が下がりますから、炭酸ガスによる15μmの放射は小さくなってきます。
この放射のもとになったエネルギーは排熱の第1のルートの地球放射由来ではなくて、排熱の第2のルートのけん熱・対流、潜熱に由来しています。

「多数の層の合計は無視できないのです。」というのは合計すること自体が論理的に誤っています。10tの荷物を配送した時に、途中の区間を100区間に分けて1000t運びましたと主張していることに相当します。

排熱の第2のルートでは最上位の層からの宇宙への放射こそが本来、問題とすべき部分ですが、そこも宇宙からの観測では炭酸ガスの吸収による大きな赤外線スペクトルの谷があり、-53度の大気中の炭酸ガスによる放射と、成層圏上部の炭酸ガスの放射によるごく小さな上向きピークのQ枝がとらえられていています。

上記のPettyの図はわずか1mの空気柱での数字であり、-53度の低圧低温の大気中でも炭酸ガスによる吸収は飽和していますから、高空の炭酸ガス濃度の上昇によるさらなる放射の吸収はありません。

[23. masudako]

クロップサイエンスさんの22番で引用された「多数の層の合計は無視できないのです。」のわたしの20番での「合計」の意味は、電気回路の並列の場合のようにエネルギーの流れがたしざんされることではなく、各層が吸収する放射と射出する放射のわずかな差がたしざんされることをさしていました。電気回路の直列の場合に電気抵抗がたしざんされるのにいくらか似ています。

大気中の放射伝達は波長ごとの流れが並列にあるものの合計ですが、大気によって吸収されたエネルギーはいったん内部エネルギー(分子運動のエネルギー)になるので違う波長の放射で伝達されたものが混ざります。

大気を放射が完全に吸収する層の集まりと考えると話が簡単になります。ところが15μm帯のうちでも波長によって吸収が事実上飽和に達する厚さは一様ではないのです。それで地上付近で数十mの層をとって考えたのですが、もし1mの層で事実上飽和する波長をとれば、大気全層の質量は地上気圧で約8 kmの層に相当しCO2混合比は一定で近似できるので、完全に吸収する層が8000枚あるようなものです。

ところが、エネルギー収支の定量的な議論をするには、15μm帯全体はもちろん、少なくとも4μm以上の地球放射全体にわたる全波長を合わせて考える必要があります。完全に吸収する層の集まりで考えようとすると、波長によって違う数の層を同時に考える必要が生じて議論が破綻します。部分的に吸収して残りを透過するような層の集まりとして計算する必要があります。正直なところその説明はわたしの手に余ります。クロップサイエンスさんも図を引用されているPettyさんの本「A First Course in Atmospheric Radiation」を初めのほうから終わりのほうまで(太陽放射の波長帯を考えなくてよいのならば散乱関係はとばしてもよいですが)読むことをお勧めします。

[24. masudako]

温室効果にかかわる放射過程の説明として、Raymond Pierrehumbert (ピエールハンバート)さん(シカゴ大学教授、RealClimateのraypierre)による解説が雑誌Physics Today (http://www.physicstoday.org/ )の2011年1月号に出ました。著者のウェブサイトhttp://geosci.uchicago.edu/~rtp1/ にコピーがあります。たぶん日本語版が『パリティ』に出ると思います。
なおPierrehumbertさんは2010年末に「Principles of Planetary Climate」という厚い本をCambridge University Pressから出しています。地球だけでなくほかの惑星の大気の物理をも理論的に説明しようとする専門教科書です。演習問題の計算プログラムは上記の著者ウェブサイトにあるそうです。