反温室効果

反温室効果とは、天体の太陽からのエネルギーが天体の上層大気によって吸収または散乱され、そのエネルギーが地表に到達できなくなることで生じるプロセスであり、温室効果の逆で地表が冷却されます。上層大気が太陽光をすべて吸収し、地表からの赤外線（熱）エネルギーをほぼ透過する理想的なケースでは、地表温度は16％低下し、これはかなりの冷却効果です。^[1]

この効果は土星の衛星タイタンに存在することが発見されている。^{[2] [3]}タイタンの成層圏では、有機エアロゾル粒子でできたもやが太陽放射を吸収すると同時に、タイタン表面からの赤外線エネルギーをほぼ透過する。これにより表面に到達する太陽​​エネルギーが減少し、赤外線エネルギーが逃げてタイタン表面が冷却される。タイタンには温室効果と反温室効果の両方があり、互いに競合している。温室効果はタイタンを 21 K 温める一方、反温室効果はタイタンを 9 K 冷やすため、正味の温暖化は 12 K (= 21 K - 9 K) となる。^{[3] [4]}

地球も太古代に同様の煙霧に見舞われ、反温室効果を引き起こした可能性があると示唆されている。 ^[5]この煙霧が初期の地球の気候を調節し、安定化させたという理論がある。[ ^5]有機煙霧以外の大気現象も反温室効果と同様に作用する。例えば、地球の成層圏オゾン層^[4]や熱圏^{[3] [4]、}火山から生成・放出される粒子^{[6] 、} 核放射性降下物^{[3] [6] 、火星の上層大気の塵[6]など}である。

太陽系外では、これらのもやが太陽系外惑星の熱構造に与える影響の計算が行われてきました。^[7]

反温室効果が、主星を外部エネルギー源とする惑星や大きな衛星にどのような影響を与えるかを理解するために、地球の場合と同様にエネルギー収支を計算することができます。システム内の各構成要素について、エネルギー保存則を維持し、一定の温度を維持するために、入ってくるエネルギーが出ていくエネルギーと等しくなければなりません。^[8]一方のエネルギー寄与者が他方よりも大きい場合、エネルギーの不均衡が生じ、物体の温度はバランスを取り戻すために変化します。エネルギー収支を計算するときは、電磁スペクトル全体のエネルギー源を考慮する必要があります。たとえば、地球の場合、太陽から入ってくる短波放射と、表面および大気から出ていく長波放射の間でバランスが取れています。構成要素のエネルギー収支を確立した後、温度を導き出すことができます。

最も極端なケースとして、惑星の上層大気に、宇宙に反射されない太陽光をすべて吸収するもやがあるが、同時に赤外線長波放射に対してはほぼ透明であるとする。キルヒホッフの法則によれば、もやは赤外線放射の吸収体としては優れていないため、もやは赤外線放射の放出体としても優れておらず、スペクトルのこの部分の少量を宇宙と惑星表面の両方に放射する。シュテファン・ボルツマンの法則によれば、惑星は表面温度の 4 乗に正比例するエネルギーを放射する。表面では、エネルギー バランスは次のようになる。

${\displaystyle \sigma T_{surf}^{4}=OLR}$

ここで、はシュテファン・ボルツマン定数、は表面温度、は上層大気のもやから放射される長波放射です。もやはこの長波放射をあまり吸収しないので、すべて宇宙に漏れ出ると想定できます。太陽から入ってくるエネルギーは、惑星大気系内にないため宇宙に反射されて失われるエネルギー量を考慮して縮小する必要があります。上層大気では、エネルギーバランスは次のようになります。 ${\displaystyle \sigma}$${\displaystyle T_{surf}}$${\displaystyle OLR}$

${\displaystyle {\frac {S}{4}}(1-\alpha )\equiv \sigma T_{e}^{4}=OLR+\sigma T_{surf}^{4}}$

ここで、は入射する太陽エネルギーフラックス、は惑星のアルベド（反射率）、は有効平均放射温度です。入射する太陽エネルギーフラックスは、惑星全体の時間と空間の平均化を考慮して4で割られ、係数はヘイズによって吸収される太陽エネルギーの割合です。2番目の式でを に置き換えると、次の式が得られます。 ${\displaystyle S}$${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle T_{e}}$${\displaystyle 1-\alpha }$${\displaystyle OLR}$${\displaystyle \sigma}$${\displaystyle T_{surf}^{4}}$

${\displaystyle \sigma T_{e}^{4}=2\sigma T_{surf}^{4}}$

そしてその比率は0.84に等しい。これは表面温度が有効平均放射温度から16%低下することを意味し、潜在的に大きな冷却効果となる。^[1]これは理想的なケースであり、反温室効果が及ぼす最大の影響を表しており、実際の惑星や大きな衛星には影響しない。 ${\displaystyle T_{surf}/T_{e}}$${\displaystyle \left(0.5\right)^{1/4}}$

1991年にクリストファー・マッケイ博士によって確立された現在の定義以前の科学界での初期の議論では、反温室効果は先カンブリア時代後期の氷河期の前兆とされ、炭素隔離プロセスとして説明されていました。^[9]これはもはやこの用語の現在の用法ではなく、高高度での太陽放射の吸収による地表冷却を強調しています。

負の温室効果は、地球全体の寒冷化ではなく、局所的な寒冷化を引き起こす現象です。反温室効果は成層圏の全体的な気温逆転を伴うのに対し、負の温室効果は対流圏の局所的な気温逆転を伴います。どちらの効果も、負の温室効果の場合は局所的に、反温室効果の場合は地球全体で、熱放出を増加させます。^{[10] [11]}

タイタンの成層圏^[4]の有機のもやは、タイタンに到達する太陽​​放射の90%を吸収しますが、表面で発生した赤外線を閉じ込める効率は悪いです。これは、タイタンの大気の窓がおよそ16.5〜25マイクロメートルに発生するためです。^{[4]大きな温室効果により、タイタンは}熱平衡よりもはるかに高い温度に保たれていますが、もやによる反温室効果により、表面温度が9 K低下します。他の大気成分による温室効果により、表面温度が21 K上昇するため、正味の効果として、タイタンの実際の表面温度（94 K）は、有効温度82 K（アルベドが一定であると仮定した場合、大気がない場合の表面温度）よりも12 K高くなります。^{[3] [12]}上で述べた理想的な反温室効果のケースでは、タイタンに対する有機物ヘイズの最大の影響は（1-0.84）82 K = 13 Kです。これはタイタンで見つかった9 Kよりも高いです。 ${\displaystyle \times }$

有機ヘイズは、メタン光分解生成物とニトリルの重合によって形成され、生成物がより長い鎖とより大きな分子に結合することを意味します。これらのメタン由来のポリマーは、多環芳香族炭化水素（PAH）とポリアセチレンから作ることができます。 ^[13]ただし、これらのポリマーの分布は、タイタンの大気中で垂直方向に均一ではありません。ニトリルとポリアセチレンのポリマーは上層大気で形成され、PAHポリマーは成層圏で生成されます。^[13]これらのポリマーはその後凝集してヘイズ粒子を形成します。タイタンのこの有機ヘイズの太陽光に対する不透明度は、主にヘイズの生成率によって決まります。ヘイズの生成が増加すると、ヘイズの不透明度が高まり、表面温度がさらに低下します。^[3]さらに、この有機ヘイズの存在は、タイタンの成層圏の温度逆転の原因です。^[4]

地球の始生代大気に有機のもやが存在したことは1983年に初めて示唆され、反温室効果の原因であった可能性があるとされた。^{[14] [15]}この仮説は、若い太陽の暗いパラドックスを解決しようとする試みから生まれたもので、過去の太陽出力の減少と当時の地球上の液体の水の存在を調和させる必要がある。水が液体のままでいられる理由を説明するために、温室効果ガスが地球を暖かく保ち、水が完全に凍るのを防いだという説が提唱されている。ある仮説では二酸化炭素だけが追加の暖かさの原因であると示唆しているが、別の仮説では二酸化炭素とメタンの両方が存在していたとしている。あるモデルによれば、ポストバイオティックな始生代のメタンは1,000 ppm以上の混合比で存在していた可能性がある一方、二酸化炭素は地球が凍結するのを防ぐのに5,000 ppmまで低く抑えられる可能性があり、これは2022年の量の約12倍である。 ^{[5] [16] [17]}しかし、このメタンと二酸化炭素の比率が0.2の場合、メタンの光分解から生じる生成物は重合して長鎖分子を形成し、それが凝集して粒子となり、反温室効果有機ヘイズを形成する可能性がある。^{[4]ヘイズは、メタンの}二酸化炭素に対する比率がおよそ0.1を超えると形成される。^{[14] [15]この有機ヘイズによって}負のフィードバックループが形成され、始生代の地球の気候が安定していたとされている。 ^{[5]始生代の地球で気温が上昇すると、メタン生成}菌が温暖な気温を好む可能性があるため、メタン生成が増加すると考えられる（好熱菌を参照）。^[5]気温が上昇すると、降水量の増加が想定されるため、風化による二酸化炭素の損失も増加し、二酸化炭素濃度の低下につながります。これにより、メタンと二酸化炭素の比率が高まり、有機ヘイズの生成が促進されます。この有機ヘイズの生成の増加により、太陽光に対する大気の不透明度が高まり、地表に到達する太陽​​エネルギーの量が減少し、その結果、地表温度が低下し、地表温度の初期の上昇が打ち消されます。太古代の地球に対する反温室効果の推定では、地表冷却の影響は最大約20Kと計算されています。^[18]

現在の地球の大気の状態では、反温室効果の原因はいくつかあります。成層圏オゾンと地球の熱圏は、熱不透明度が低く気温が高いため、部分的な反温室効果を生み出すと言われています。^[3]さらに、火山から噴出する塵や核戦争後の放射性降下物も、反温室効果の典型であると言われています。^{[3] [6]また、火山からの二酸化}硫黄の放出による成層圏硫黄エアロゾルの形成は、地球に約1～2年間続く冷却効果をもたらすことが確認されています。^[19]これらの原因はすべて、反温室効果の典型である、熱い上層が冷たい表面の上にある温度構造を作り出す働きをします。

火星では嵐によって塵が上層大気に運ばれるため、弱い反温室効果があるという議論がある。この効果の証拠は、 1976年から1977年にかけて行われたバイキング1号の測定から得られ、地球規模の嵐の余波で地上の日中の平均気温が5度低下した。^[6]

コンピュータシミュレーションを用いた研究では、光化学ヘイズが太陽系外惑星の熱構造に与える影響が調査されている。このモデルをホットジュピターに適用したところ、科学者らはHD 189733 bのヘイズが大気の膨張につながり、電磁スペクトルで観測された急激な通過シグネチャを説明するのに役立つことを発見した。また、 HD 209458 bのモデルは光化学ヘイズと雲のような物体の両方を予測した。^[7]