|
|
| ミランコヴィッチメニューへ戻る 大気中の水 Water in the atmosphere Bjorn Stevens, the Max Planck Institute for Meteorology in Hamburg, Germany, Sandrine Bony, a CNRS senior scientist at the Laboratoire de Météorologie Dynamique in Paris. 地球の気候とその変化の傾向について、私たちが知っていることの多くは、水、大気循環、気温の相互作用に根ざしているが、知られていないことも多い。ビョーン・スティーブンスはドイツのハンブルクにあるマックスプランク気象研究所の所長を務め、サンドリーヌ・ボニーはパリのLaboratoire de Météorologie DynamiqueのCNRSシニアサイエンティストである。 すべての学童は、地球の水循環における大気の役割について学びます。しかし、大気の特性を決定する上での水の役割について学ぶ機会を得る人はほとんどいません。水は、太陽のエネルギーが大気中や地球の表面全体にどのように分配されるかだけでなく、そのエネルギーが駆動する大規模な循環の特性も決定します。水の根本的な影響の認識は、正式な科学的思考よりも前からあります。たとえば、ユダヤ教とキリスト教の創造神話では、暗闇と光を分離した後の作成者の最初のタスクの1つは、水と水を分離して空を作成することでした。 その水は、大気の総質量の0.25％しか占めていないことを考えると、空のそのような明確な場所を想定していることは注目に値します。これは、深さがわずか2.5 cmの液体層に相当し、地球規模の水たまりを作るのにかろうじて十分であり、ほぼ完全に（99.5％）蒸気の形で大気中に分布しています。比較すると、地球の大洋が地球の表面全体に均一に広がっている場合、平均深度は約2.8kmになります。地球の陸面（氷床、湖、川、湿地、土壌）の淡水は、大気中の水より2000〜3000倍豊富です。どのように見ても、大気中に浮遊していることは、水分子が自分自身を見つける可能性が非常に低い状態です。しかし、その状態にある間、「水は違いの世界」を作ります。 吸収の名手 水はその物理的および放射特性のために際立っています。図1に示すように、これはIR放射に対する大きな欲求を持つ小分子です。水分子は、3つの小さな異なる慣性モーメントの周りでその強力な電気双極子が転がることから生じる、多数の回転吸収モードを備えています。これらのモードは、近赤外からマイクロ波に伸びる豊富なスペクトル線のセットに貢献します。それらのいくつかは、回転モードが基本的な回転振動（回転振動）バンドを形成する3つの振動モードを装飾するために発生します。 1つはλ2=6.3μmで、H-O-H曲げに関連しています。対称および非対称ストレッチに関連する他の2つ、λ1およびλ3は2.7μmの近くにあり、曲げモードの倍音と重なります。  図1. 大気中の水の凝縮形態である大気水象（a）には、いくつかのサイズがあります。それらは主に可視光を散乱しますが、IRの広い範囲にわたって吸収します。 （b）スペクトルの近IRおよび熱IR領域は分子を励起し、その回転振動（または回転振動）および回転バンドを生成します。特定の線λ1、λ2、およびλ3は、それぞれ対称ストレッチモード、曲げモード、および非対称ストレッチモードを示します。 そのような吸収線の過剰はまた、水分子に強力な連続体吸収を与える。異なるスペクトル線の翼の重なりから、および蒸気中での衝突中の水二量体の分子クラスターの一時的な生成から、その連続体への相対的な寄与についての議論が続いています（Physics Today、2013年4月、18ページを参照）。 原因が何であれ、連続吸収は、熱IR全体の放射と相互作用する水蒸気の異常な効果の重要な兆候です。1この効果は近赤外線でも感じられ、水蒸気を下部の太陽放射の最も重要な吸収体にします。雰囲気。大気中に見られる他の分子も、IRに強い、または適切に配置された吸収機能を持っています。しかし、より短い波長での倍音を含むIR放射の全スペクトルとの相互作用に関しては、水分子の妙技に近づくものはありません。 （Raymond Pierrehumbertによる記事、Physics Today、2011年1月、33ページを参照してください。） 大気物理学者が総称して大気水象と呼ぶ凝縮水は、図1に示す単純な結晶、液滴、雪片、霰、雹など、さまざまな形をとることができます。電磁放射を散乱させる程度は、屈折率と放射の波長に対するそれらのサイズ：短い波は優先的に散乱され、長い波は吸収されます。雲の液滴（および程度は低いが雲の氷）の一般的なサイズは、熱IRの短波長に比例するため、雲はこれらの波長および長波長のエネルギーを吸収するのに効果的です。 それらは、放射が代わりに散乱されるスペクトルの太陽部分に見られる10〜100倍短い波長でそうすることにおいてはるかに効果的ではありません。その結果、雲は、大気中の水の約0.5％しか含まれていないにもかかわらず、強力な温室効果と強力な惑星アルベドの両方を示します2。その水のごく一部だけが、雨や雪などの大規模な大気水象に分布しているため、表面対体積比が比較的小さいため、水を沈殿させることは、水よりも地球の放射収支にとってはるかに重要ではありません。 REFERENCES 1.K. P. Shine, I. V. Ptashnik, G. Rädel, Surv. Geophys. 33, 535 (2012). https://doi.org/10.1007/s10712-011-9170-y, Google ScholarCrossref 2.R. T. Pierrehumbert, Principles of Planetary Climate, Cambridge U. Press, New York (2010). Google ScholarCrossref 3.S. Manabe, R. T. Wetherald, J. Atmos. Sci. 24, 241 (1967). https://doi.org/10.1175/1520-0469(1967)024<0241:TEOTAW>2.0.CO;2, Google ScholarCrossref 4.K. A. Emanuel, J. D. Neelin, C. S. Bretherton, Q. J. R. Meteorol. Soc. 120, 1111 (1994). https://doi.org/10.1002/qj.49712051902, Google ScholarCrossref 5.D. Popke, B. Stevens, A. Voigt, J. Adv. Model. Earth Syst. (in press), https://doi.org/10.1002/jame.20009. Google Scholar 6.B. Stevens, S. E. Schwartz, Surv. Geophys. 33, 779 (2012). https://doi.org/10.1007/s10712-012-9184-0, Google ScholarCrossref 7.G. L. Stephens et al., Nat. Geosci. 5, 691 (2012). https://doi.org/10.1038/ngeo1580, Google ScholarCrossref 8.A. Slingo, J. M. Slingo, Q. J. R. Meteorol. Soc. 114, 1027 (1988). https://doi.org/10.1002/qj.49711448209, Google ScholarCrossref 9.D. L. Hartmann, K. Larson, Geophys. Res. Lett. 29, 1951 (2002). https://doi.org/10.1029/2002GL015835, Google ScholarCrossref 10.J. F. B. Mitchell, C. A. Wilson, W. M. Cunnington, Q. J. R. Meteorol. Soc. 113, 293 (1987). Google ScholarCrossref 11.S. C. Sherwood et al., J. Geophys. Res. 115, D09104 (2010). https://doi.org/10.1029/2009JD012585, Google ScholarCrossref 12.S. Bony et al., in Climate Science for Serving Society: Research, Modelling, and Prediction Priorities, G. Asrar, J. W. Hurrell, eds., Springer, Berlin (in press). Google Scholar 13.I. M. Held, B. J. Soden, J. Climate 19, 5686 (2006). https://doi.org/10.1175/JCLI3990.1, Google ScholarCrossref 14.S. Bony et al., Nat. Geosci. (in press), https://doi.org/10.1038/ngeo1799. Google Scholar 15.S. Bony et al., J. Climate 19, 3445 (2006). https://doi.org/10.1175/JCLI3819.1, Google ScholarCrossref 16.V. Ramanathan, J. Coakley Jr, Rev. Geophys. Space Phys. 16, 465 (1978). https://doi.org/10.1029/RG016i004p00465, Google ScholarCrossref 17.M. Rieck, L. Nuijens, B. Stevens, J. Atmos. Sci. 69, 2538 (2012). https://doi.org/10.1175/JAS-D-11-0203.1, Google ScholarCrossref 18.J. Gregory, M. Webb, J. Climate 21, 58 (2008). https://doi.org/10.1175/2007JCLI1834.1, Google ScholarCrossref © 2013 American Institute of Physics. |