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惑星気候学 -- 簡単理論から大気大循環モデルまで --

惑星気候学 -- 簡単理論から大気大循環モデルまで --. 石渡正樹（北大・理）. はじめに. 気候いろいろ. 多様な気候 : 惑星 , 昔の地球 , 系外惑星 , … それらを大雑把で良いから同じ土俵で考えたい 地球の気候の安定性 : 「地球らしい気候が出現する条件は ? 」. 金星の図 : http://www.solarviews.com/browse/venus/venusmar.jpg 地球の図 : http://www.solarviews.com/raw/earth/earthx.jpg

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惑星気候学 -- 簡単理論から大気大循環モデルまで --

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Presentation Transcript

  1. 惑星気候学-- 簡単理論から大気大循環モデルまで -- 石渡正樹（北大・理）

  2. はじめに

  3. 気候いろいろ • 多様な気候: 惑星, 昔の地球, 系外惑星, … • それらを大雑把で良いから同じ土俵で考えたい • 地球の気候の安定性 : 「地球らしい気候が出現する条件は?」 金星の図 : http://www.solarviews.com/browse/venus/venusmar.jpg 地球の図 : http://www.solarviews.com/raw/earth/earthx.jpg 火星の図 : http://www.solarviews.com/raw/mars/mars060.jpg

  4. 地球的な気候が得られる条件は? • 「地球はどこまで地球か？」 • 地球的な気候 = 海洋が存在し得る状況 • 気候の太陽定数依存性 • 暴走温室状態, 全球凍結状態, 解の多重性, 分岐現象・臨界値の存在 • 地球らしくない気候を調べる • 安定性 • こんなこと分かって役にたつのか? • 知らない世界を想像するための基礎資料

  5. 気候状態の記述 • いろんな複雑度のモデルが使われる • 鉛直１次元モデル • 南北１次元モデル • 南北-鉛直２次元モデル • 領域３次元モデル • 球面３次元モデル（大気大循環モデル：GCM）

  6. １次元モデルを用いた暴走温室状態の記述

  7. 暴走温室状態の話 • 暴走温室状態とは • 大気が射出できる以上の入射エネルギーフラックスが与えられた状態 • 形成期の地球は暴走温室状態にあったかも • 地球型惑星大気の形成論 • Matsui and Abe (1986) • Abe and Matsui (1988) • 微惑星の衝突 • 水蒸気大気の形成

  8. 地球の放射と太陽の放射 • 地球の放射と太陽の放射をわけて考える • プランクの法則 • 温度 T の黒体が射出する放射量は σ T^4 地学図表（浜島書店）

  9. 平衡状態を決定する条件式 • 入射する放射 = 射出する放射

  10. 「０次元モデル」的考察 • １つの温度の値を決めることを考える • 代表的な温度の値を決める議論

  11. 大気無しの場合 : 有効放射温度 • 地表面の放射収支 • アルベド(反射率) A :太陽放射が反射される割合. 小倉（1999）一般気象学

  12. 大気 1 層モデル • 1 枚ガラスモデル(大気 1 層モデル) • 大気は太陽放射に対しては透明, 地球放射は全部吸収する 地表面と大気層の放射収支 TaとTgの解

  13. 多層モデル • 同様にして, 各層の放射収支を考えると 小倉（1999）一般気象学

  14. 灰色放射 • ガラスの「厚さ」も考慮する • 平行平面、灰色放射の仮定

  15. 鉛直１次元的な考察 • 地球大気の温度鉛直構造 小倉（1999）一般気象学

  16. 成層圏モデル • Komabayashi (1969), Ingersoll (1969) • 成層圏の下端で飽和 • 成層圏では水蒸気のモル分率(比湿)が一定 • 放射平衡した成層圏 • 灰色放射 • 吸収係数が波長によらない. • 解はどのように決まるか? • 成層圏界面の温度を決める • 圏界面で飽和の条件から水蒸気量が決まる • 成層圏内の水蒸気分布決まる • 放射平衡を仮定して温度分布を求める.

  17. 成層圏モデルの結果 • 成層圏を通過できる放射量には限界がある.

  18. 鉛直 1 次元放射対流平衡モデル • Nakajima et al (1992) • ある 1 点, もしくは水平平均場の鉛直構造を考える • 大気成分 : 水と乾燥空気 • 飽和した対流圏と放射平衡した成層圏 • 灰色放射 • 日射には透明 • 赤外放射には灰色 ( κ=0.01 Kg/m^2)

  19. 鉛直 1 次元モデルの計算手順 • 表面温度を決める • 地表から湿潤断熱線を引く • 放射フラックスを計算し, だいたい放射平衡になるレベルを見つける. • そのレベルを圏界面とし, その上の成層圏は放射平衡より温度を決定する.

  20. 鉛直 1 次元放射対流平衡モデルの結果 • Nakajima et al (1992)

  21. 暴走温室状態に至る大気構造

  22. まとめ：暴走温室状態の定義 • 成層圏を通過できるフラックスには限界がある. • 対流圏が射出できるフラックスには限界がある. • これらの放射限界のうち小さい方が大気放射量の上限値となる • 放射量上限値を越えた入射が与えられた場合には, 大気は平衡に達することができない. その場合に発生するであろうと考えられる状態が暴走温室状態.

  23. 暴走温室状態に関する研究の歴史 • 素朴なイメージ • Simpson (1927) • Gold (1964) • 射出限界の発見 • Komabayashi (1967) • Ingersoll (1969) • 精緻な放射計算 • Abe and Matsui (1988) • Kasting (1988) • 射出限界の記述 • Nakajima et al. (1992) • 非灰色放射 • Sugiyama et al. (2005) Abe and Matsui (1988)

  24. 3 次元モデルによる暴走温室状態の数値計算

  25. 1 次元モデルの結果 • Nakajima et al. (1992) • 灰色放射( κ=0.01 Kg/m^2) • 飽和した対流圏と放射平衡にある成層圏

  26. Nakajima et al の3 次元版 • 1. 三次元系でも本当に暴走するのか? • 南北構造がある, 運動がある • 2.「暴走限界」はどうやって決まるのか? • 1 次元系とどれくらい違うのか? • 3. 暴走温室状態とはどんな世界だ? • 0. そもそも太陽定数が増大した場合なんて計算できるのか?

  27. モデル • 理想気体, 静水圧近似 • 大気成分 : 水蒸気と乾燥空気(分子量・比熱等しい) • 放射過程 : 日射には透明, 赤外放射には灰色 • 「雲」無し • 湿潤対流調節 (Manabe et al, 1967) • 鉛直拡散 : Mellor and Yamada (1974) • 地表面条件 : swamp ocean (熱容量が 0) • 表面フラックス : バルク法により計算 • 蒸発・降水による大気量変化は考慮 • 分解能 : 水平 T21, 鉛直 L32 (64x32x32 グリッド) • トリック : 上層減衰層と鉛直フィルター

  28. 計算設定 • 太陽放射分布 • 地球の軌道パラメータを使って計算した年平均・日平均分布 • ずっと昼間. • 初期値 : 280 K の等温状態 • 積分時間 : 1000 〜 2000 日

  29. 全球平均値の時間変化 全球平均惑星放射 全球平均表面温度

  30. ３次元系における「暴走限界」 • 太陽定数が 1600 W/m^2 を越えると平衡状態に達することができない. 入射放射 - 赤外放射の関係

  31. 平衡状態の南北構造 OLR の南北分布 表面温度の南北分布

  32. 成層圏モデルの放射量上限値 圏界面における相対湿度を考慮

  33. 鉛直温度構造（1d vs 3d) 3 次元計算結果 1 次元平衡解 1

  34. 1 次元系との対応 相対湿度を変化させた Tg-OLR 関係 • 「暴走限界」は 1 次元平衡解の放射量上限値に対応する.

  35. 平衡状態の子午面構造 • ハドレー循環と東西平均温度場 • 太陽定数の増加時 • ハドレー循環の背が高くなる • ハドレー循環の緯度幅はほとんど変わらない • 南北温度勾配は減少

  36. 平衡状態のエネルギーフラックス南北分布 S1380 S1570

  37. 降水量の平面分布 • S=1380 (地球条件)とS=1570(暴走ギリギリ) • 太陽定数増大時の南北方向の潜熱輸送の実体は擾乱

  38. 暴走温室状態の循環 • S=1800 の結果 • 温度の子午面分布と質量流線関数

  39. 暴走温室状態のエネルギーフラックス • エネルギーフラックスの南北分布 (S1800) S1380 S1800

  40. 暴走温室状態を初期値とした場合 • 初期値 : S=1600 W/m^2 の暴走温室状態 • 太陽定数を 1300 W/m^2 に減少させた場合 : 暴走状態は維持される • 太陽定数を 1280 W/m^2 以下に減少させた場合:温度は下降する. S1600 →S1300 S1600 →S1280

  41. 暴走温室状態の存在条件 • 暴走温室状態は結構低い太陽定数でも維持される. • 1300 / 4.0 = 325 W/m^2 が境目.

  42. まとめ • 3 次元系でも暴走温室状態は発生する. • その暴走限界は鉛直 1 次元系で記述可能 • これをもたらしたものは熱的な南北一様化. • 南北熱輸送の効率が大きかったということ?

  43. エネルギーバランスモデルを用いた全球凍結状態の記述エネルギーバランスモデルを用いた全球凍結状態の記述

  44. 全球凍結現象 • 原生代の後期(約 7 億年前)地球は氷づけになった!? • Hoffman et al. (1998) • 氷河堆積物、酸素同位体比 • エネルギーバランスモデル • Budyko (1969), Sellers (1969), その他 • Ikeda and Tajika (1999) • 二酸化炭素減ると全球凍結 • 立派なモデルによる計算 • Weatherald and Manabe (1975) : 全球凍結 • Jenkins and Smith (1999) • Hyde, Crowley, Baum and Peltier (2000) • Baum and Crowley (2001) • Poulsen, Pierrehumbert and Jacob (2001) : 全球凍結しない 川上(2000)

  45. 0 次元モデル : 多重平衡 京大・酒井さんの図

  46. 1 次元モデルの定式化 • 次は南北分布も考える. • エネルギーバランスモデル • Budyko (1969), Sellers (1969) など • 南北 1 次元. 表面温度分布を考察 • 南北熱輸送による温度変化 • (全球平均温度) - (温度) • 拡散型 • 長波放射は温度の線形関数 • 独立変数は表面温度

  47. Budyko モデルの結果 • 全球凍結状態の発生 • 多重平衡解の存在

  48. Budyko モデルの放射スキーム • (長波放射) = a + bT • これでは暴走温室状態が除外されている

  49. エネルギーバランスモデルやり直し • 放射はちゃんとした灰色. • 入射太陽放射は地球の年平均 • エネルギー輸送スキーム • Budyko 型 • 拡散型 • 熱拡散係数は GCM の結果に合うように決定. • 氷無し・S=1380 W/m**2 の場合で GCM と似た南北温度差となるように決定. • アルベド • 0　　（Tｇ＞２６３K) • 0.5 （Tｇ＜２６３K)

  50. やり直しの結果(Budyko の熱輸送) • 太陽定数増大時は暴走温室状態と全球凍結状態

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