放射平衡温度

放射平衡とは

物体が受け取る放射エネルギーと、放出する放射エネルギーがつり合っている状態を放射平衡といいます。放射平衡にあるとき、物体の温度は一定に保たれます。

受け取るエネルギーが放出するエネルギーより大きければ温度は上昇し、逆なら低下します。長い期間で見れば、地球全体としてはほぼ放射平衡の状態にあります。

太陽から地球に到達した放射のうち、すべてが吸収されるわけではありません。一部は雲や地表面で反射されて宇宙空間に戻ります。

入射した太陽放射のうち反射される割合をアルベド（惑星反射率）といいます。地球全体のアルベドは約0.3（30%）です。つまり太陽放射の30%が反射され、残りの70%が地球に吸収されます。

反射率は表面の種類によって大きく異なります。

雲や雪・氷はアルベドが高く、太陽放射を多く反射します。一方、海面や森林はアルベドが低く、太陽放射をよく吸収します。

放射平衡温度とは、受け取る太陽放射と放出する地球放射がつり合うときの温度です。

地球が受け取るエネルギーは、太陽定数をS、アルベドをA、地球の半径をRとすると：

受け取るエネルギー ＝ S × πR² × (1−A)

地球が放出するエネルギーは、シュテファン・ボルツマンの法則から：

放出するエネルギー ＝ σT⁴ × 4πR²

放射平衡では両者が等しいので：

S × πR² × (1−A) ＝ σT⁴ × 4πR²
→ T⁴ ＝ S(1−A) / 4σ

この式にS＝1370 W/m²、A＝0.3を代入すると、T≒255K（約−18℃） となります。

これは温室効果を考慮していない値です。実際の地球の平均気温（約15℃＝288K）との差（約33℃）が温室効果の大きさを表しています。

地球全体の放射平衡をもう少し詳しく見てみます。太陽放射を100とすると：

太陽放射（100）の行方：

地表面は太陽放射の吸収に加え、大気からの下向き放射（大気放射）も受け取ります。地表面はこれらのエネルギーを、地球放射（赤外線）、顕熱（空気を直接暖める）、潜熱（蒸発に使われるエネルギー）の形で大気に返しています。

太陽放射は赤道付近に多く、高緯度ほど少なくなります。一方、地球放射は地球全体でほぼ均一に行われています。

この結果、低緯度では受け取るエネルギーが放出するエネルギーを上回り（エネルギー過剰）、高緯度では放出するエネルギーが受け取るエネルギーを上回ります（エネルギー不足）。

しかし、低緯度が際限なく暖まり続けたり、高緯度が冷え続けたりはしません。低緯度の余剰エネルギーは大気の循環（風）や海流によって高緯度に運ばれ、このエネルギーの偏りを解消しています。つまり、大気や海洋の大規模な循環は、放射の緯度による偏りを是正するために存在しているのです。