惑星の温室効果(1)
地球の気温ってどうやって決まってるの？ほかの惑星は？みたいなことを統一的に解説してみるテスト。
惑星は開放系
惑星は外界との物質的なやり取りはない。たまに隕石が落下することがあるが、これは例外的だ。従って、惑星は物質的には孤立系だ。
一方、惑星は外界とエネルギー的なやり取りがある。太陽からの放射を受けて暖まり、暖まった熱を赤外線で宇宙に放射している。したがって、惑星はエネルギー的には開放系だ。
平衡温度、有効温度、地表温度
温度には色々なものがある。ここでは「平衡温度」、「有効温度」、「地表温度」の３種類の温度を考えよう。面倒な説明は後回しにして、それぞれ次のような分布になる*1 *2。
水星と火星は３つの温度が一致して図では３つの丸印が重なり、金星と地球では有効温度と平衡温度が重なって表示されている。
平衡温度
惑星は放射の出入りがバランスしていて、放射平衡にある。太陽から可視光線を吸収し、惑星は赤外線を宇宙に放射している。前者と後者が釣り合い、惑星の温度は一定に保たれている。平衡温度は、この釣り合いのもとで、惑星の放射が黒体放射と等価であると仮定したときの温度である。したがって、平衡温度は理論的な温度である。
惑星は太陽光をすべて吸収するのではなく、ある割合で太陽光を反射している。この反射率をアルベドと呼ぶ。理想的なモデルとして、図にはアルベドがゼロの場合（受けた太陽光をすべて惑星が吸収する場合）を青い曲線で示す。太陽から近い惑星ほど平衡温度は高く、遠いほど平衡温度は低い。これは、太陽から近いほど強い太陽光を受けるので、惑星は暑いという単純な結果を再現している。地球の場合は5.3℃になる。
現実の惑星は雲などによって太陽光を反射するため、アルベドはゼロではない。アルベドを考慮した平衡温度を●で示す。
金星は濃い大気のためにアルベドが大きい。金星を外から見るとテカテカに見える。この大きなアルベドのために、平衡温度は青い曲線よりも100℃も低い。もし温室効果がなければ金星は極寒の世界になってしまう。地球よりも寒い。
地球のアルベドは30%程度で、平衡温度は約-18℃である。「もし温室効果ガスがなかったら、地球の気温はマイナス18℃」というフレーズはここから来ている。アルベドを30%としたままで温室効果だけを取り去ることはできないので、このフレーズは全くの空理空論だ。
