アルベド

アルベド（/ æ l ˈ b iː d oʊ / al- BEE -doh ;ラテン語の albedo 「白さ」に由来）は、物体によって拡散反射される太陽光の 割合です。0（入射するすべての放射を吸収する黒体に相当）から1（入射するすべての放射を反射する物体に相当）のスケールで測定されます。表面アルベドは、表面が受け取る放射強度J _eと放射照度E _e （単位面積あたりの放射量）の比として定義されます。 ^[2]反射率は、表面自体の特性だけでなく、地球の表面に到達する太陽​​放射のスペクトル分布と角度分布によっても決まります。^[3]これらの要因は、大気の組成、地理的な場所、時間（太陽の位置を参照）によって異なります。

半球円錐反射率は単一の入射角（つまり、太陽の特定の位置）に対して計算されますが、アルベドは特定の期間におけるすべての太陽角度での反射率の方向積分です。時間分解能は、秒単位（フラックス測定から取得）から日、月、または年平均までの範囲になります。

特定の波長（スペクトルアルベド）が指定されていない限り、アルベドは太陽放射の全スペクトルを指します。^[4]測定上の制約により、アルベドは太陽エネルギーの大部分が地表に到達するスペクトル（0.3～3μm）に対して指定されることが多いです。このスペクトルには可視光（0.4～0.7μm）が含まれるため、アルベドが低い表面は暗く見え（例：木はほとんどの放射を吸収）、アルベドが高い表面は明るく見えます（例：雪はほとんどの放射を反射します）。

氷アルベドフィードバックは、氷冠、氷河、海氷の面積の変化が惑星のアルベドと表面温度を変える正のフィードバック気候プロセスです。氷は非常に反射率が高いため、他の種類の陸地や開水域よりもはるかに多くの太陽エネルギーを宇宙に反射します。氷アルベドフィードバックは地球規模の気候変動に重要な役割を果たしています。^{[5]アルベドは}気候科学における重要な概念です。

可視光線でのアルベドは、新雪の約0.9から、最も暗い物質の1つである木炭の約0.04までの範囲にあります。影が深い空洞では、黒体のゼロに近い有効アルベドを実現できます。遠くから見ると、海面はほとんどの森林と同様にアルベドが低く、砂漠地帯は地形の中で最も高いアルベドを持っています。ほとんどの陸地は、アルベドの範囲が0.1から0.4です。^[14]地球の平均アルベドは約0.3です。^[15]これは、主に雲の寄与により、海洋よりもはるかに高いです。

地球表面のアルベドは、NASAのTerra衛星およびAqua衛星に搭載されたMODIS機器や、Suomi NPPおよびJPSSに搭載された CERES 機器などの地球観測衛星センサーによって定期的に推定されています。衛星によって反射放射の量が全方向ではなく単一方向でのみ測定されるため、衛星反射率測定のサンプル セットを方向半球反射率と両半球反射率の推定値に変換するために数学モデルが使用されます (例: ^{[16] )。これらの計算は}双方向反射率分布関数(BRDF)に基づいており、これは特定の表面の反射率が観測者の視野角と太陽の角度にどのように依存するかを記述します。BDRF を使用すると、反射率の観測値をアルベドに変換できます。^[要出典]

地球の平均表面温度は、アルベドと温室効果により、現在約15℃（59℉）である。もし地球が完全に凍結すれば（つまり反射率が上がると）、地球の平均気温は−40℃（−40℉）を下回るだろう。^[17]大陸の陸地だけが氷河に覆われれば、地球の平均気温は約0℃（32℉）まで下がるだろう。^[18]対照的に、地球全体が水に覆われれば（いわゆる海洋惑星）、地球の平均気温はほぼ27℃（81℉）まで上昇するだろう。^[19]

2021年、科学者らは、現代の測光技術を用いた地球の明るさの測定で、地球が20年間（1998年から2017年）で約0.5％暗くなったと報告した。これは、気候変動と地球温暖化の大幅な増加の両方によって引き起こされた可能性がある。しかし、気候変動との関連はこれまで調査されておらず、これが継続的な傾向であるかどうかは不明である。^{[20] [21]}

陸地表面の場合、特定の太陽天頂角 θ _iにおけるアルベドは、次の 2 つの項の比例和で近似できることが示されています。

• その太陽天頂角における方向半球反射率、ブラックスカイアルベドとも呼ばれる。${\displaystyle {{\bar {\alpha }}(\theta _{i})}}$
• 両半球反射率、白空アルベドとも呼ばれます。${\displaystyle {\bar {\bar {\alpha }}}}$

は与えられた太陽角度からの直接放射の割合、は拡散照射の割合であるため、実際のアルベド（青空アルベドとも呼ばれる）は次のように表されます。 ${\displaystyle {1-D}}$${\displaystyle {D}}$${\displaystyle {\alpha}}$

${\displaystyle \alpha =(1-D){\bar {\alpha }}(\theta _{i})+D{\bar {\bar {\alpha }}}.}$

この式は、表面の固有の特性に関する知識から、任意の照明条件でのアルベドを計算できるため重要です。^[22]

人間の活動（森林伐採、農業、都市化など）は、地球上のさまざまな地域のアルベドを変化させます。^[23] 人間による地表の物理的特性への影響は、たとえ小規模であっても、あるいは衛星に検知されない場合でも、地球の放射エネルギーバランスを変化させ、気候を乱す可能性があります。^[24]

都市化は一般的にアルベドを低下させ（通常、隣接する耕作地よりも0.01～0.02低くなります）、地球温暖化の一因となります。都市部のアルベドを意図的に増加させることで、都市ヒートアイランドを緩和することができます。2022年の推定では、地球規模で「世界中の都市部でアルベドが0.1増加すると、約44 GtのCO2_排出量を吸収するのに相当する冷却効果が得られる」ことがわかりました。^[25]

地球表面のアルベドを意図的に高め、昼間の熱放射率を高めることは、エネルギー危機と地球温暖化を緩和するための太陽放射管理戦略として提案されており、受動的な昼間の放射冷却（PDRC）として知られています。^{[26] [27] [28]} PDRCの広範な実装に向けた取り組みは、少なくとも90％の熱放射率が達成できる限り、表面のアルベドを非常に低い値から高い値まで最大化することに重点を置くことができます。^[29]

スペインのアルメリアにある何万ヘクタールもの温室は、白いプラスチックの屋根で覆われた広大な空間を形成している。2008年の研究では、この人為的変化により、高アルベド地域の局所的な地表温度が低下したが、変化は局所的であったことが判明した。^[24]フォローアップ研究では、「地表アルベドの変化に関連するCO2相当の排出量は、土地の変化の結果である」ことがわかり、気候変動に関連する地表温度の上昇を軽減できる可能性がある。^[30]

アルベドは照度に直接依存するわけではありません。なぜなら、入射光量の変化は反射光量に比例して変化するからです。ただし、照度の変化がその場所の地球表面に変化を引き起こす場合（反射氷の融解など）は除きます。ただし、アルベドと照度はどちらも緯度によって異なります。アルベドは極地では最も高く、亜熱帯では最も低く、熱帯では極大値となります。^[31]

アルベドの温度効果の強さは、アルベドの量と局所的な日射量（太陽放射照度）のレベルによって決まります。北極や南極の高アルベド地域は日射量が少ないため寒くなりますが、サハラ砂漠などの比較的アルベドが高い地域は日射量が多いため暑くなります。熱帯および亜熱帯の熱帯 雨林地域はアルベドが低く、日射量が少ない温帯の雨林地域よりもはるかに暑いです。日射量はアルベドの加熱効果と冷却効果に大きな役割を果たすため、熱帯のような高日射地域では、局所的なアルベドが変化すると、局所的な気温の変動がより顕著になる傾向があります。^[32]

北極地方は吸収する熱よりも多くの熱を宇宙に放出し、地球を効果的に冷却している。気温上昇により北極の氷や雪が速い速度で溶け、北極の地域が著しく暗くなり（水や地面が暗い色）、宇宙に反射する熱が少なくなるため、このことは懸念されている。このフィードバックループによりアルベド効果が低下する。^[33]

アルベドは、惑星がどれだけの放射線を吸収するかを決定することで気候に影響を与えます。 ^{[36]陸地、氷、または海の表面間のアルベドの変動による地球の不均一な加熱は、}天候に影響を与える可能性があります。^[要出典]

気候システムの初期の強制に対する応答はフィードバックによって修正される。すなわち、「自己強化型」または「正の」フィードバックによって応答は増加し、「バランス型」または「負の」フィードバックによって応答は減少する。^[37]主な強化フィードバックは、水蒸気フィードバック、氷アルベドフィードバック、および雲の正味効果である。^{[38] : 58}

ある地域のアルベドが降雪によって変化すると、積雪温度フィードバックが生じます。積雪の層によって局所的なアルベドが増加し、太陽光を反射して局所的な冷却につながります。原理的には、このエリアに外気温の変化がない場合（たとえば、暖かい気団）、アルベドの上昇と気温の低下によって現在の雪が維持され、さらなる降雪を招き、積雪温度フィードバックが深まります。ただし、季節の変化によって局所的な天候が変動するため、最終的には暖かい気団と太陽光のより直接的な角度（高い日射量）によって融解が起こります。融解したエリアで草、土壌、海などのアルベドの低い表面が露出すると、効果は逆転します。つまり、表面が暗くなるとアルベドが低下し、局所的な気温が上昇してさらに融解が促進され、アルベドがさらに低下してさらに加熱が進みます。

積雪アルベドは非常に変動が大きく、新雪では0.9、溶けかけの雪では約0.4、汚れた雪では0.2までの範囲です。^[39]南極の積雪アルベドは平均0.8を少し超えます。わずかに雪に覆われた地域が温暖化すると、雪が溶けてアルベドが低下する傾向があり、その結果、積雪に吸収される放射線が増えるため、雪解けがさらに進みます（氷-アルベドの正のフィードバック）。

スイスでは、住民が氷河を大きな白い防水シートで保護し、氷の融解を遅らせています。この大きな白いシートは太陽光線を遮断し、熱を逃がすのに役立ちます。この方法は非常に高価ですが、雪と氷の融解を60％削減する効果があることがわかっています。^[40]

新雪のアルベドが汚れた雪よりも高いのと同様に、雪に覆われた海氷のアルベドは海水のアルベドよりもはるかに高い。海水は、反射性の雪に覆われた同じ表面よりも多くの太陽放射を吸収する。海水温の上昇または上空からの太陽放射の増加に応じて海氷が溶けると、雪に覆われた表面が減少し、海水の表面がより多く露出するため、エネルギー吸収率が上昇する。吸収された余分なエネルギーが海水を加熱し、それが今度は海氷の融解速度を上昇させる。前述の雪解けの例と同様に、海氷の融解プロセスは、したがって正のフィードバックの別の例である。^{[41]両方の正のフィードバックループは、}地球温暖化にとって重要であることが長い間認識されてきた。^[要出典]

煤を含む粉状の風で運ばれた塵であるクリオコナイトは、氷河や氷床のアルベドを低下させることがある。^[42]

正のフィードバックに対するアルベドの動的性質と、アルベド測定における小さな誤差の影響により、エネルギー推定に大きな誤差が生じる可能性があります。このため、エネルギー推定の誤差を減らすには、広い地域に単一のアルベド値を適用するのではなく、リモートセンシング技術を使用して積雪地域のアルベドを測定することが重要です。^{[引用が必要]}

アルベドはより小さなスケールでも作用します。日光の下では、暗い色の服はより多くの熱を吸収し、明るい色の服はよりよく熱を反射します。そのため、外側の衣服の色のアルベド効果を利用して体温をある程度制御することができます。^[43]

アルベドは、太陽光発電装置の電気エネルギー出力に影響を与える可能性があります。たとえば、スペクトル応答アルベドの影響は、水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）ベースと結晶シリコン（c-Si）ベースの太陽光発電技術のスペクトル加重アルベドと、従来のスペクトル積分アルベド予測の差によって示されます。研究では、垂直（90°）に設置されたシステムでは10％を超える影響が見られましたが、表面傾斜の低いシステムではそのような影響は大幅に低くなりました。^{[44]スペクトルアルベドは}両面太陽電池の性能に大きく影響し、健全な植生の上に設置されたc-Siセルでは、裏面の性能が20％以上向上することが確認されています。^[45]一般的に存在する22種類の表面材料（人工物と天然物の両方）の鏡面反射率によるバイアスの分析により、産業用（太陽光発電所）、商業用平らな屋根、住宅用傾斜屋根の3つの一般的な太陽光発電システムトポロジーに取り付けられた7つの太陽光発電材料の性能をシミュレートするための有効なアルベド値が得られました。^[46]

森林は一般にアルベドが低い。これは、紫外線と可視光線の大部分が光合成によって吸収されるためである。このため、樹木による熱吸収が大きくなると、植林による炭素削減効果の一部が相殺される可能性がある（または、森林破壊による気候への悪影響が相殺される可能性がある）。言い換えれば、森林による炭素隔離による気候変動緩和効果は、植林によって太陽光の反射（アルベド）が減少することで部分的に相殺される。^[47]

季節的に積雪のある常緑樹林の場合、アルベドの減少は森林伐採が正味の冷却効果を引き起こすほどに大きい可能性がある。^{[48]樹木はまた、}蒸発散を通じて非常に複雑な方法で気候に影響を与える。水蒸気は地表で冷却を引き起こし、凝縮する場所で加熱を引き起こし、強力な温室効果ガスとして作用し、雲に凝縮するとアルベドを増加させる可能性がある。^[49]科学者は一般的に蒸発散を正味の冷却効果として扱い、森林伐採によるアルベドと蒸発散の変化の正味の気候への影響は、地域の気候に大きく依存する。^[50]

中緯度から高緯度の森林は、積雪期には平地よりもアルベドがはるかに低いため、温暖化に寄与している。森林と草原のアルベドの違いの影響を比較するモデル化では、温帯地域の森林面積を拡大しても一時的な緩和効果しか得られないことが示唆されている。^{[51] [52] [53] [54]}

季節的に雪が降る地域では、樹木のない地域の冬のアルベドは、近くの森林地帯よりも10％から50％高くなります。これは、雪が樹木をそれほど容易に覆わないためです。落葉樹のアルベド値は約0.15から0.18であるのに対し、針葉樹の値はおよそ0.09から0.15です。^[9]両方の森林タイプにおける夏のアルベドの変動は、光合成速度の最大化に関連しています。これは、成長能力の高い植物が、上層樹冠で入射する放射線を直接遮断するために、より多くの葉を展開するためです。^[55]その結果、光合成に使用されない光の波長は、樹冠の下層にある他の表面によって吸収されるのではなく、宇宙に反射される可能性が高くなります。

ハドレーセンターの研究では、アルベドの変化による相対的な（一般的には温暖化の）影響と、炭素隔離による（冷却の）植林への影響を調査した。その結果、熱帯および中緯度地域の新しい森林は冷却する傾向があり、高緯度（シベリアなど）の新しい森林は中立か、おそらく温暖化の傾向があることがわかった。^[48]

2023年に世界中の176のフラックスステーションから収集された研究では、気候とのトレードオフが明らかになりました。植林による炭素吸収量の増加はアルベドの減少につながります。当初、この減少は約20年間にわたって穏やかな地球温暖化につながる可能性がありますが、その後は大幅な寒冷化に移行すると予想されています。^[56]

水は、一般的な地上の物質とはまったく異なる方法で光を反射します。水面の反射率はフレネルの方程式を使用して計算されます。

光の波長のスケールでは、波打った水でさえも常に滑らかであるため、光は局所的に鏡面反射します（拡散反射ではありません）。水面の光のきらめきは、この一般的な効果です。入射光の角度が小さい場合、波打つことで反射率が低下します。これは、反射率対入射角曲線の急峻さと平均入射角が局所的に増加するためです。^[57]

水の反射率は、入射光の低角度および中角度では非常に低いですが、地球の照らされた側、境界線付近(早朝、夕方遅く、極付近) で発生するような入射光の高角度では非常に高くなります。ただし、前述のように、波状により反射率は大幅に低下します。水から鏡面反射された光は通常、観察者に届かないため、水の反射率は入射光の高角度で高いにもかかわらず、通常、アルベドは非常に低いと考えられています。

波頭の白い波頭が白く見える（そしてアルベドが高い）のは、水が泡立っているため、反射する泡の表面が重なり合って反射率が増すためである。新鮮な「黒い」氷はフレネル反射を示す。この海氷の上に雪が積もるとアルベドは0.9に増加する。^[58]

雲のアルベドは大気の温度に大きな影響を与えます。雲の種類によって反射率は異なり、理論的にはアルベドは最小でほぼ 0 から最大でほぼ 0.8 の範囲になります。「どの日でも、地球の約半分は雲に覆われており、雲は陸地や水よりも多くの太陽光を反射します。雲は太陽光を反射して地球を涼しく保ちますが、暖かさを閉じ込める毛布としても機能します。」^[59]

一部の地域では、アルベドと気候が、商業用航空機の往来による飛行機雲などによって作り出される人工雲の影響を受けています。 ^[60]イラク占領下のクウェート油田の火災に関する研究では、石油火災の現場の気温は、数マイル離れた晴天時の気温よりも10℃（18℉）も低かったことが示されました。^[61]

エアロゾル（大気中の非常に微細な粒子/液滴）は、地球の放射バランスに直接的および間接的な影響を及ぼします。直接的な影響（アルベド）は一般的に地球を冷却することですが、間接的な影響（粒子が雲の凝結核として機能し、それによって雲の特性を変える）はそれほど確実ではありません。^[62]

アルベドに関連する気候への影響のもう1つは、ブラックカーボン粒子によるものです。この影響の大きさを定量化することは困難です。気候変動に関する政府間パネルは、化石燃料からのブラックカーボンエアロゾルの全球平均放射強制力は+0.2 W m ⁻²で、範囲は+0.1〜+0.4 W m ⁻²であると推定しています。^[63]ブラックカーボンは、アルベドへの影響により、二酸化炭素よりも北極の極地氷床の融解の大きな原因となっています。^{[64] [検証に失敗]}

天文学では、アルベドという用語は、その用途と関連する電磁放射の波長に応じて、いくつかの異なる方法で定義されます。

惑星、衛星、小惑星などの小惑星のアルベドは、それらの特性について多くのことを推測するために使用できます。アルベド、波長、照明角度（「位相角」）、および時間による変化へのアルベドの依存性の研究は、測光という天文学の分野の主要な部分を占めています。望遠鏡で解像できない小さくて遠い物体の場合、私たちが知っていることの多くは、それらのアルベドの研究から得られます。たとえば、絶対アルベドは太陽系の外にある物体の表面の氷の含有量を示し、位相角によるアルベドの変化はレゴリスの特性に関する情報を提供します。一方、異常に高いレーダーアルベドは、小惑星の金属含有量が高いことを示しています。

土星の衛星エンケラドゥスは、太陽系の天体の中で最も高い光学アルベドを持つ天体の一つで、アルベドは0.99である。もう一つの注目すべき高アルベド天体はエリスで、アルベドは0.96である。^[65]太陽系の外縁部^[66]や小惑星帯の多くの小天体は、アルベドが約0.05まで低下している。^[67]典型的な彗星核のアルベドは0.04である。^{[68]このような暗い表面は、何らかの}有機化合物を含む原始的で宇宙風化した表面を示していると考えられている。

月の全体的なアルベドは約0.14と測定されていますが^[69]、それは強い方向性と非ランバート性を持ち、強い反対効果も示しています。^[70]このような反射特性は地球上の地形とは異なりますが、空気のない太陽系の天体の レゴリス表面には典型的です。

天文学でよく使われる光学アルベドには、(V バンド)幾何アルベド(照明が観測者の真後ろから当たるときの明るさを測定) とボンド アルベド(反射される電磁エネルギーの合計割合を測定) の 2 つがあります。これらの値は大きく異なる場合があり、混乱の原因となることがよくあります。

詳細な研究では、天体の方向反射特性は、レゴリス表面の反対効果の特徴付けを含め、位相角によるアルベドの変化を半経験的に記述する5 つのハプケパラメータで表現されることが多い。これらの 5 つのパラメータの 1 つは、単一散乱アルベドと呼ばれる別の種類のアルベドである。これは、小さな粒子による電磁波の散乱を定義するために使用される。これは、材料の特性 (屈折率)、粒子のサイズ、および入射光の波長 によって決まる。

物体の天文（幾何学）アルベド、絶対等級、直径の間の重要な関係は次のように表されます。^[81] ここで、は天文アルベド、はキロメートル単位の直径、は絶対等級です。 $${\displaystyle A=\left({\frac {1329\times 10^{-H/5}}{D}}\right)^{2},}$$${\displaystyle A}$${\displaystyle D}$${\displaystyle H}$

惑星レーダー天文学では、マイクロ波（またはレーダー）パルスを惑星ターゲット（月、小惑星など）に向けて送信し、ターゲットからのエコーを測定します。ほとんどの場合、送信パルスは円偏波であり、受信パルスは送信パルスと同じ偏波方向（SC）と反対の方向（OC）で測定されます。^{[82] [83]エコー電力は}レーダー断面積、、、または（総電力、SC + OC）で測定され、同じエコー電力を返すターゲットと同じ距離にある金属球（完全反射体）の断面積に等しくなります。^[82]${\displaystyle {\sigma }_{OC}}$${\displaystyle {\sigma }_{SC}}$${\displaystyle {\sigma }_{T}}$

受信エコーのうち、最初の表面反射（滑らかな表面や鏡のような表面）から戻ってくる成分は、反射時に偏光が反転するため、OC成分が支配的になります。表面が波長スケールで粗い場合や、レゴリスへの浸透が大きい場合は、多重散乱によってエコーにSC成分が大きく含まれます。^[83]

太陽系のほとんどの天体ではOCエコーが優勢であり、最も一般的に報告されるレーダーアルベドパラメータは（正規化された）OCレーダーアルベド（レーダーアルベドと略されることが多い）である。^[82] $${\displaystyle {\hat {\sigma }}_{\text{OC}}={\frac {{\sigma }_{\text{OC}}}{\pi r^{2}}}}$$

ここで、分母は平均半径 を持つ対象物体の有効断面積です。滑らかな金属球の場合、有効断面積は になります。 ${\displaystyle r}$${\displaystyle {\hat {\sigma }}_{\text{OC}}=1}$

月、水星、火星、金星、および P/2005 JQ5 彗星について報告された値は、それらの参考文献で報告された合計 (OC+SC) レーダーアルベドから導き出されます。

エコーのほとんどが表面反射（またはそれくらい）からのものである場合、OCレーダーアルベドはフレネル反射係数（別名反射率）^[83]の一次近似値であり、次の経験的関係を使用して、1メートル程度の深さ（レーダー波長の数波長、通常はデシメートルスケール）までの惑星表面のかさ密度を推定するために使用できます。^[87]${\displaystyle {\hat {\sigma }}_{\text{OC}}<0.1}$

${\displaystyle \rho ={\begin{cases}3.20{\text{ g cm}}^{-3}\ln \left({\frac {1+{\sqrt {0.83{\hat {\sigma }}_{\text{OC}}}}}{1-{\sqrt {0.83{\hat {\sigma }}_{\text{OC}}}}}}\right)&{\text{for }}{\hat {\sigma }}_{\text{OC}}\leq 0.07\\(6.944{\hat {\sigma }}_{\text{OC}}+1.083){\text{ g cm}}^{-3}&{\text{for }}{\hat {\sigma }}_{\text{OC}}>0.07\end{cases}}}$。

アルベドという用語は、ヨハン・ハインリヒ・ランベルトが1760 年に著した『光測定法』で光学に導入されました。^[要出典]

無料辞書『ウィクショナリー』でアルベドを調べてください。

• アルベド プロジェクトは、Wayback Machineで 2019 年 4 月 3 日にアーカイブされています。追加のアーカイブ: 2024 年 3 月 3 日。
• アルベド – 地球百科事典
• NASA MODIS BRDF/アルベド製品サイト
• 海洋表面アルベドルックアップテーブル
• メテオサット観測から得られた地表アルベド
• 月のアルベドについての議論
• 金属の反射率（グラフ） 2016年3月4日アーカイブ - Wayback Machine