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| ミランコヴィッチメニューへ戻る 地球の熱反射の結果としての気候 KLIMATS KĀ ZEMES SILTUMA NODOŠANAS FAKTORS Climate as a Result of the Earth Heat Reflection J. バーカーンズ、D. ザロスティバ （」. Barkāns, D. Žalostība） 抄録 著者らは、地球の平均気温、つまり気候は、主に太陽から受ける全熱の反射部分によって決定されることを示しています。 赤外線によって直接反射される熱は、温室効果ガス（主に水分子）によって生成される吸収ウィンドウによって制限されるため、地球の生命に必要な温度を維持するには不十分です。 不足している熱は、全空気循環の構成要素である強力な垂直対流によって輸送されます。 この熱は、ニュートンの法則によってのみ制限され、水分子を含まない上部対流圏層に伝達され、そこから、冷却された媒体に対応する赤外線放射波長で、事実上無制限に放散されます。 ニュートンの法則に準拠した対流は、負のフィードバックを生成します。これにより、地球の温度変化のプロセスが安定し、半分に減少します。 キーワード 気候変動 1.はじめに 今日、これまでにないほど、気候変動の問題が科学界の注目を集めています。天体物理学、量子論、大気物理学、気象学、地球物理学、分光法、電力工学、数学など、物理学の多くの分野で、この現象の原因を積極的に探っています。 知られているように、科学の進歩は自然現象の観察中に得られた事実に依存しています。完全に分析されたそのような事実の量がいくつかの臨界レベルに達すると、それらの理論的解釈の試みが始まります。 今では、気候変動の研究活動はいくつかの成果を上げています。合理的なエネルギー利用の原則が認識され、実行され、省エネ技術が開発されました。一部の地域では、例えば先進国の家庭部門では、エネルギー消費量が最大50％減少しています。 現在、電力業界の主な関心事は、エネルギー生成装置の効率改善と、有害な汚染から大気を保護するための浄化構造の実装です。分散型コージェネレーションおよび代替ジェネレーションソースの開発が開始されました。これに対応して、関連する事業部門も急速に発展しています。 しかし、これらの自然現象についての深い洞察は得られていません。実際、20世紀の長期的な気温上昇は、大気中へのCO2排出量の増加が始まる50年前に始まっていました。 河川の水流の振る舞いに関する研究の前の部分では、離散ウェーブレットスペクトル分析を使用して、それらの変動を太陽で発生するプロセスの強度の変動と比較することを目的としました[1]。 簡単に言えば、これは次のように見直すことができます。ウェーブレット解析では、前述のプロセスを別々の周波数グループに分割し、それぞれの現象で、世界の川の水流と太陽の強度の変化という2つのカテゴリの現象の類似性が明らかになりました。明らかに、この分析は地球の温度変化と相関していなければなりませんでした。 その結果、8つの周波数チャネルで、地球の気温と太陽の強度変動との間に密接な関係が確立されました[2]。主な結果は、太陽過程の自然変動が明らかになった、太陽上での300年の観測の最長の千年周期期間の断片と関連しており、5〜90年の温度周期が太陽活動の対応するサイクル。地球上で起こった前世紀の温度上昇は、主に千年紀の太陽活動変動周期によって説明できることが確立されました[2]。この結果は、グリーンランドと南極の氷河からの氷床コアを研究している間に得られた情報によって補完されました。 これらすべてが、西暦10世紀だけでなく、紀元前2世紀、13世紀、30世紀にも起こった同様のプロセスの概念を私たちに与えました。 [3]。天体物理学に関連する最も重要な事実が確立されました。1910年に、地球の温度変化プロセスのフェーズが反対に変化しました。これは、一定の日射の条件下で、磁場の役割を支持する証拠です。日[2]。したがって、太陽強度の上昇での位相変化の前に地球の温度がそれに応じて変化していた場合、その後、高周波グループでは逆位相で変化しました。 同時に、160〜 1000年のサイクルで、これらの変動は以前と同様に段階的に進行しました。これは、1935年から1975年にかけての単調な上昇を背景にした気温の低下（かなり神秘的で、これらの条件と矛盾しているように見える）を説明しています[2]。太陽磁場の変動と地球の温度の変動との依存性については、大気中の宇宙線粒子の軌道が太陽と地球の磁場の相互作用によって変動するという仮説が存在します。 これらの粒子は、大気中の水蒸気の凝縮中心として機能し（ウィルソンのチャンバー内で発生するのと同じように）、それが地球の気温に影響を与えます。この作業は、上記の温度変化における温室効果ガス効果の役割に関して追加の質問を提起します。したがって、既知のデータに基づいてこの問題を確認することは価値があります。 2.地球規模の熱伝達の特徴 知られているように、地球は主に可視光領域で太陽から熱を受け取ります。 順番に、それは部分的に空間に熱をあきらめます。 加熱された物体からの熱除去は、放射と対流の2つの方法（またはチャネル）で進行します。 熱は対流圏（温帯緯度では8〜10 km、赤道域では16 kmの高さ）の大気の下部で反射されます。 このゾーンには、窒素と酸素の他に、赤外線電磁放射の影響を受ける水分子（6〜7 kmの高層）があり、さらにCO2、メタン、オゾン、その他のガスがあります。 輻射による大気への熱伝達赤外線領域の輻射密度W / m2は、シュテファン・ボルツマンの法則に従って決定されます。  ここで、T1;σ-はそれぞれ、暖かい表面の温度とシュテファン-ボルツマン定数です。 放射密度E、絶対温度T、および波長λの関係は、指数関数を含むプランク方程式によって定義されます。   絶対温度Tでの最大放射Emaxに対応する波長は、Winnの関係から求められます。  より低い温度では、放射はより長い波の領域に向かってシフトします（図1を参照）。  図1.赤外線の波長と温度の関係。 この方法の本質は、ソーラーコレクタ（図2）の操作によって示すことができました。  図2.ソーラーコレクター操作のスキーム。 そのようなコレクターは、水循環システムを含むガラス張りの箱を提示します。 ガラスは可視光線に対して透明であり、赤外線放射に対して部分的にのみ透明であるため、コレクターにいくらかのエネルギーを蓄積することができます。 大気中では、双極子特性を持つ分子が存在するため、赤外線は薄層ではなく深部に閉じ込められます。 放射過程は分光法によって研究され、そこから、放射に反応する双極子分子のそれぞれに、明確なスペクトル線が対応します（図3 [4]を参照）。  図3.双極子分子のスペクトル線。 放射線の透過または吸収が発生する量子力学のこの現象は、共鳴と同様の現象と関連しています。 赤外線放射下の水蒸気分子は、3つのエネルギーレベルの変化を経験します（図4 [4]）。  図4.水と二酸化炭素ガス分子の変形。 これは±Δの範囲で変化します（それぞれ、最大速度と最小速度はvΔ+とv −Δです）。ドップラー効果に準拠して、さまざまな速度に応答するときにスペクトル線が伸び、いわゆる正規分布に特徴的なプロファイルを持つバンドに変換されます。そのようなバンドが重なっているとき、それらは吸収ゾーンを形成します。共振の特性と同様の特性は、明確な周波数範囲、つまり「ウィンドウ」に対応します。 水分子の対応する吸収ゾーンには、次の領域の赤外線放射を個別にカバーする周波数があります。 5.2–8および22–70μm [5]。これらの吸収ゾーンはウィンドウ（図5に表示）を形成し、その効果はそれらの飽和度に依存します。水分子の場合、これらは大気が実質的に不透明になる広い領域で飽和します。吸水率の飽和度は、14〜22μmの領域で徐々に減少し、8.6〜14μmの領域では大気が透明になります。 そのような窓を通して、地球によって蓄積された太陽エネルギーの一部が残ります（図では暗い色で示されています）。透明な窓に見られるギャップはオゾンに対応し、部分的には酸素分子に対応します。 酸素分子は、相互の分子衝突で変形する電子殻で、弱い双極子特性を獲得します。温室効果ガスでは、大気中の水分子が支配的です。蒸気状態では、それらの熱吸収は約70％であり、凝縮状態（雲）では、全体の20％です。残りの10％は、大気中に存在する他の熱吸収分子に当てはまります。  図5. 赤外線の吸収帯 大気中の水分子に関しては、不安定です。自然の条件下では、寒い時期が始まると水が凍り、熱吸収が減少し、氷河期の始まりに有利に働きます。 知られているように、70万年の間に6つの氷期がありました。それらのそれぞれは約10万年続き、約2000年の間氷期の時代がありました。 As known, during a period of 700 thousand years there were six glacial epochs. Each of them lasted approximately 100 thousand years, with ca 20ths-year interglacial epochs. 分子が双極特性を持っている二酸化炭素ガスは、安定した温室効果ガスです。明確な赤外線放射波長で、それらは3つの片側および非対称の振動と振動-回転変形を獲得し（図3を参照）、比較的狭い（14〜16μm）吸収ウィンドウを作成します。 この波長間隔は、水分子ウィンドウの飽和度が低下する領域にあります。その吸収プロファイルには特定の形状があり、図6に示されています[6]。 15μmの周波数でのスペクトル線の統合に対して、最大吸収は図のQゾーンに対応します。 まれなスペクトル線に、吸収翼RとPが対応します（それぞれ、より高い周波数とより低い周波数）。吸収窓の概観では、Pウィングが吸水ゾーンと重なっていることがわかります（図5）。 言及された研究の著者であるHeinzHug博士（ドイツ、ヴィースバーデン）は、実験室条件下での赤外線放射下でのCO2吸収の物理モデルでこの問題を研究しました。 このモデルにより、彼は357 ppmと2倍、つまりこのガスの714 ppm比重量に対して0.17％の吸収の変動を確立することができました。モデリングの可能性があるため、問題は徹底的に調査する価値があります。  図6. CO2吸収のプロファイル。 地球の気温バランスは、太陽エネルギーの流れによって決まります。 太陽の表面の温度は5783K、半径はkm、地球の半径は5 6.599 10 sr =⋅36.37810er =⋅4kmであることを思い出してください。  シュテファン・ボルツマンの法則によれば、日射流は  です。ここで、σはシュテファン・ボルツマン定数、8 5.670410−⋅8 =⋅1.49610Wm2K4です。 太陽と地球の間の平均距離はkmです。 地球に到達する放射流は、太陽の半径と前述の距離の2乗比に比例します。  地球が受け取る太陽エネルギーは、次のように定義できます。  宇宙に反射する赤外線放射エネルギーは  これらの等式では、k1とk2は、それぞれ地球によって受信および反射されるエネルギーの部分です。 地球に大気がないと仮定すると、すべての太陽エネルギーの流れがその表面に到達します。 次に、受け取ったすべてのエネルギーも反射されて空間に戻ります（k1 = k2 = 1）。 この場合、平均地球温度は、次の式から求められます。  地球の大気は太陽からの紫外線を吸収するため（図7を参照）、その表面は太陽エネルギーの一部しか受け取りません。k1= 0.78  図7.日射量に対する大気の影響。 私たちが得る温室効果を考慮に入れていません：  大気中のIR放射を吸収する窓によってもたらされる制限を考慮すると、受け取ったエネルギーの一部、つまり0.3のみが空間に反射されます（図5）。 純粋な赤外線放射による熱エネルギー伝達の場合、この温度は次のようになります。  IR放射のみによる熱伝達がある場合、気候の大惨事はずっと前に起こったはずです。 実際に観測された平均温度値は288Kまたは+ 15o Cです。このような温度を確保するには、はるかに強力な熱除去が必要です。  これは放射線だけでは保証できません。熱の不足部分は、もう一方のチャネル、つまり対流チャネルによって供給されます。 対流チャネルを介して、熱は強力な垂直気流によって、吸水窓をバイパスする水蒸気分子を含まない上部対流圏層に輸送されます。 そこから、冷却された媒体に対応する赤外線放射波長で、それは空間で放散されます。同様に、総熱伝達は、放射成分と対流成分の合計です。 2 r c kkk = +したがって、空間への必要な熱反射の半分以上が対流によって提供されます。対流熱伝達大気中の対流気流は、地球表面から垂直に上昇する暖かくてコンパクトでない空気の塊によって形成され、同時に、より冷たい、より密度の高い空気の塊によって形成されます。 このような垂直流の速度は20〜30 m / sに達します。全空気循環の構成要素であるエネルギー対流垂直流は、大気全体に浸透して成層圏に到達するため、大気層間の熱交換に重要な役割を果たし、宇宙への熱伝達の機能を果たします。面積単位あたりの大気の空気流の自然対流による熱除去は、ニュートンの等式に従って進行します。  ここで、Tは暖かい表面の温度K、αは対流熱伝達係数W / m2 Kです。必要な熱除去は次の比率に対応します。  輻射チャネルでは確保できない必要な熱反射は、対流によって実行されます。 たとえば、太陽放射強度の変化の結果として温度上昇が発生した場合（前世紀に観察されたように）、対流チャネルの環境収容力はこの上昇に対応して増加し、それを制限して負の値を作成します これらのプロセスの安定剤として機能するフィードバック。 言い換えれば、このチャネルは、その変化を減らすことによって地球の温度を調整します。  ここで、ΔErは必要な熱エネルギー除去W / m2です。 対流熱伝達は、季節変動が均等化される年に見合った時定数を持つ慣性プロセスです。 対流チャネルの慣性についての概念は、たとえば、太陽磁場の転覆に関連する積分河川水流の周期的位相の変化を研究するときに受け取ることができます。 河川の水流の相変化は1930年に起こったという証拠があり（図8を参照）、つまり1910年の温度相変化から20年後です[1]。 これは、この場合に起こるはずだった気候変動の長期にわたる定常的なプロセスによって説明できます。  図8.川の水流の相変化：離散ウェーブレット変換コンポーネントの比較d3：1 –ダウガバ川の水流と年の積分正規化値。 2 –太陽の強度と年の積分正規化値 検討中の対流（惑星の水平垂直空気循環）は、次のように3つの空気運動リングの形で表すことができます[7]。 暖められた赤道と寒極の間で熱交換が進行し、垂直方向の空気運動成分によって対流圏の上層に熱伝達される最初の惑星循環リング（図9を参照）。 熱をあきらめた後、空気は下降し、赤道に向かって逆流しています。 地球の自転のおかげで、北半球のこれらの小川は東に向かっており、南半球では西に向かっています。  図9.大気中の気流の図。 この緯度で蓄積された気団によって形成され、高圧のゾーンを作成する2番目の惑星循環リング。そこから、気団は地球の自転（コリオリの力）によって決定される2つの方向に流れています。冷却された気団の一部は赤道に戻り、北東の風（貿易風）を形成して2番目の円を閉じます。 3番目の惑星循環リング。 このリングは、コリオリの力の影響を受けて東に移動し、北方向に移動し続ける気団の2番目の部分によって形成されます。ここでは、温帯の緯度で南東と東の風が形成されます。高緯度では、冷却された空気は、運動の西方向を想定して、下降して南に流れます。温帯の緯度からの空気に出会った後、それは上昇し、3番目の円を閉じます。 実際には、説明されている画像は、乾燥した土地の起伏と海洋表面の影響を受けています。このような土地は夏に急速に加熱されてクーラーとして機能しますが、海はより大きな慣性を持ち、ヒーターとして機能します。冬には反対の写真が見られます。 したがって、全体像は、冬と夏に反対方向に吹くモンスーンの形で季節の影響によって補完されます。局所的および短期的な特徴に注意を集中するのではなく、気候に影響を与える要因を大まかに特徴付ける図10に示すような構造を提示することができます。  図10. 全球熱伝達の仮想構造図 ここで、パラメータYは、地球の気温に影響を与える太陽強度の変動サイクルです。地球は、熱を除去するための2つのチャネルによって提供される温度変化の対象として表示されます。それらの最初のものは、赤外線放射用の慣性のないチャネルであり、温度に応答して、制限吸収窓を通して放射熱を除去します。 このチャネルのフィードバックは、その収容力が完全に制限されているため、実際には機能しません。 2番目のチャネルは、2段階の対流放射チャネルであり、対流によって、前述の制限吸収ウィンドウをバイパスして、水分子を含まないより高い対流圏層に熱を無制限に伝達します。これらの層から、冷却された環境に対応する波長の範囲内で、2段階のプロセスで熱が空間に伝達されます。 ΔTによる温度変化では、熱伝達がΔEだけ増加し、温度が低下します。 これらすべての証拠は、対流チャネルが安定化する負のフィードバックを持ち、したがって、温度変化の制限に積極的な役割を果たすことを示しています。 9. 結論 地球の生命にとって快適であると考えられる平均温度+ 15o Cには、太陽から受け取って宇宙に反射する熱の約60％に相当します。赤外線チャネルの透明度は、温室効果ガス（主に水分子）を吸収する「窓」によって制限されるため、このチャネルはそのような熱伝達を保証できません。この機能は、透明な熱伝達チャネルによって2番目に満たされることを示唆する十分な根拠があります。 対流チャネルは、吸収ウィンドウをバイパスして残りの熱を水なしの上部対流圏層に無制限に伝達する強力な垂直気流を備えています。そこから、プランクの式に従って、冷却された空気の温度に対応するIR波長で、2段階のプロセスで妨げられることなく空間に熱が放射されます。 その結果、対流チャネルは、ニュートンの法則によって決定された熱伝達の静的特性曲線に従って、その変化を半分に減らして地球の温度を安定させる機能を果たします。 参照文献 1. Barkans, J., Zicmane, I. (2005). Peculiarities of annual flows of world`s rivers. (with D.Zalostiba participation (§8.3.chapter)) World Energy Council, Nacional Committee of Latvia. Riga: RTU 2. Barkans, J., Zalostiba, D. (2008). View of climate changes based on the wavelet analysis of solar intensity, Riga: Latvian Journal of Physics and Technical Sciences, vol. 1 (44), 3–11. 3. Chumichow, S.A. (2002). Climate of golocen. Institute of low temperature science, Hokkaido University, Sapporo 060-0819 (Japan). 4. Farmer, C.B., Norton, R.H. IR Spectrum of Sun and Earth Atmosphere, Available at http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse gas 5. Тонков, М.В. (2001). Спектроскопия парникового эффекта, Соросовский образовательный журнал. Том 7 №10. c. 52–58 6. Dr. Heinz Hug. The Climate Catastrophe - A Spectroscopic Artifact? Available at http://www.john-daly.com/artifact.htm. 7. Федотова, В.Д. Общая циркуляция атмосферы. Peejams http://www.primpogoda.ru/articles/prosto_o_pogode/obwaya_cirkulyaciya_atmosfery/ 以下はラトヴィア語版の概要の訳 地熱伝達の要因としての気候 J.Barkāns、 D. Žalostība 概要 この論文は、地球の平均温度、したがって気候は、主に太陽によって反射される熱の量によって決定されることを示しています。熱帯圏を通過する放射線によって直接反射される熱は、温室効果ガス（主に水分子）によって引き起こされる吸収窓によって制限されるため、地球上の生命に必要な温度を維持するには不十分です。不十分な熱は、一般的な空気循環の構成要素、つまり強い垂直対流空気の流れによって戻されます。ニュートンの法則によってのみ制限されるその熱は、熱帯圏の水を含まない上層に伝達され、そこから、冷却された環境に対応する赤外線波長で実質的に無期限に放散されます。ニュートンの法則のおかげで負のフィードバックを生成する対流は、地球の大きさを2倍にすることによって、地球の温度を変化させるプロセスを安定させます。 2009年4月4日 ラトヴィア語版の概要 KLIMATS KĀ ZEMES SILTUMA NODOŠANAS FAKTORS J. Barkāns, D. Žalostība Kopsavilkums Darbā parādīts, ka Zemes vidējo temperatūru un, tātad, klimatu, nosaka galvenokārt Saules saņemtā siltuma atstarošanas apjoms. Siltums, kas tiek atstarots tieši ar radiāciju caur troposfēru ir nepietiekošs Zemes dzīvei nepieciešamās temperatūras uzturēšanai, jo to ierobežo siltumnīcas gāzu radīti (galvenokārt ūdens molekulu) absorbcijas logi. Nepietiekošais siltums tiek atdots ar vispārējās gaisa cirkulācijas sastāvdaļas – stiprām vertikālām konvekcijas gaisa plūsmām. Tās siltumu, ierobežotu tikai ar Ņūtona likumu, nogādā uz ūdens molekulu nesaturošiem augšējiem troposfēras slāņiem, no kurienes tas ar atdzisušai videi atbilstošiem infrasarkanā starojuma viļņu garumiem tiek praktiski neierobežoti izkliedēts. Konvekcija, kas pateicoties Ņūtona likumam rada negatīvu atgriezenisko saiti, stabilizē Zemes temperatūras izmaiņas procesu, divkārši samazinot tās izmainās apmērus. 04.04.2009 |