放射強制力

地球大気系におけるエネルギーと物質の輸送は、平衡熱力学、そしてより一般的には非平衡熱力学の原理によって支配されています。20世紀前半、物理学者たちは放射伝達の包括的な記述を開発し、それを放射平衡状態にある恒星や惑星の大気に適用し始めました。放射対流平衡（RCE）の研究がそれに続き、1960年代から1970年代にかけて発展しました。RCEモデルは、水循環など、エネルギー収支内のより複雑な物質の流れを考慮に入れるようになり、それによって観測結果をよりよく説明できるようになりました。

平衡モデルのもう一つの応用例は、外部から加えられた介入という形での摂動によって状態の変化を推定できることである。RCEの研究はこれを変化のための強制フィードバックの枠組みに集約し、GCMの結果と一致する気候感度結果をもたらした。この概念的枠組みは、均質な擾乱（実質的に大気上端のエネルギーバランスに加えられる）に対して、より緩やかな応答（惑星表面温度の変化と多かれ少なかれ相関している）が生じ、システムが新たな平衡状態に達すると主張している。放射強制力は、これらの擾乱を記述するために使用された用語であり、1980年代までに文献で広く普及した。^{[ 5 ]： 19-23}

放射強制力の概念は、当初の提案（現在では瞬間放射強制力（IRF）と呼ばれている）から、放射不均衡と地球温暖化（地球表面平均気温）をより良く関連付けることを目的とした他の提案へと進化してきた。例えば、研究者たちは2003年に、調整された対流圏と成層圏の強制力を大気大循環モデルでどのように使用できるかを説明した。^{[ 7 ]}

調整された放射強制力は、さまざまな計算方法において、成層圏の温度が成層圏の放射平衡（放射加熱率がゼロという意味で）を達成するために変更された後の不均衡を推定します。この新しい方法論は、（成層圏の温度調整に加えて）対流圏で発生する可能性のある調整やフィードバックを推定しません。そのため、有効放射強制力と呼ばれる別の定義が導入されました。^{[ 8 ]}一般的に、ERF は CMIP6 放射強制力分析の推奨事項です^{[ 9 ]}ただし、成層圏調整方法論は、よく混合された温室効果ガスやオゾンのように、対流圏での調整やフィードバックが重要ではないと考えられる場合にも適用されています。^{[ 10 ] [ 11 ]}放射カーネルアプローチと呼ばれる方法論は、線形近似に基づくオフライン計算内で気候フィードバックを推定することを可能にします^{[ 12 ]}

放射強制力は、地球のエネルギー不均衡を引き起こす様々な自然要因および人為的要因の強さを時間経過とともに定量化するために用いられる。これらの要因が地球を温暖化または寒冷化させる詳細な物理的メカニズムは多岐にわたる。放射強制力を用いることで、個々の要因の寄与を他の要因と比較することが可能となる。

有効放射強制力（ERF）と呼ばれる別の指標は、長期的な地表温度の応答とは無関係な大気内の急速な調整（いわゆる「高速フィードバック」）の影響を取り除きます。ERFは、気候変動の要因をより公平な土俵に置くことで、それらの影響を比較し、地球の地表温度がさまざまなタイプの人為的強制力にどのように反応するかについて、より一貫した見解を得ることを可能にします。^{[ 14 ]}

放射強制力と気候フィードバックを組み合わせて、定常状態（しばしば「平衡」と表記される）の表面温度のその後の変化（Δ T _s）を次の式で推定することができる。

${\displaystyle \Delta T_{s}=~{\tilde {\lambda }}~\Delta F}$

どこ${\displaystyle {\チルダ {\lambda }}}$は一般的に気候感度パラメータを表し、通常は単位が K/(W/m ² ) であり、Δ Fは放射強制力 (W/m ^{2 )}です。^{[ 15 ]}の推定値は、 ${\displaystyle {\チルダ {\lambda }}}$気候フィードバックパラメータの逆数から得られる${\displaystyle \lambda }$単位は（W/m ²）/Kです。推定値は$\displaystyle \tilde \lambda \approx 0.8$この計算では、その期間のCO ₂の増加(278 から 405 ppm、強制力 2.0 W/m ^{2の場合) により、1750 年の基準温度より約 1.6 K 地球の平均気温が上昇すると予測され、大気中の}CO ₂混合比が産業革命以前の値の 2 倍になった場合、現在の気温よりさらに 1.4 K 温暖化すると予測されています。これらの計算はいずれも、他の強制力は考慮していません。^{[ 16 ]}

歴史的に、放射強制力は温室効果ガスなどの特定のタイプの強制力に対して最も優れた予測能力を示しています。すすなどの他の人為的影響に対しては効果が低くなります。^{[ 14 ]}

地球の放射収支は、地球が自転し太陽の周りを公転するにつれて、また地球規模の熱異常が陸域、海洋、大気系内で発生および消散するにつれて変動します（例：ENSO）。^{[ 17 ]}その結果、地球の「瞬間放射強制力」（IRF）も動的であり、全体的な温暖化と寒冷化の状態の間で自然に変動します。これらの自然変動を引き起こす周期的かつ複雑なプロセスの組み合わせは、通常、数年にも及ぶ期間を経て、正味ゼロの平均IRFを生み出すように反転します。このような変動は、人間の活動による長期（10年単位）の強制力の傾向も覆い隠してしまうため、そのような傾向を直接観測することは困難です。^{[ 18 ]}

地球の放射収支は、1998 年以来、 NASA の雲と地球放射エネルギーシステム(CERES) 機器によって継続的に監視されています。 ^{[ 20 ] [ 21 ]}地球をスキャンするたびに、全天の瞬間放射収支の推定値が得られます。このデータ記録は、温室効果ガス、エアロゾル、地表面などの変化を含む IRF に対する自然変動と人為的影響の両方を捉えています。この記録には、主に温度、地表面アルベド、大気中の水蒸気、雲における地球システムのフィードバックを介して発生する放射不均衡に対する遅れた放射応答も含まれています。^{[ 22 ] [ 23 ]}

研究者らは、NASAの地球観測システム内のCERES、AIRS、CloudSat、その他の衛星搭載機器からの測定値を使用して、自然変動とシステムフィードバックによる寄与を解析しました。複数年にわたるデータ記録からこれらの寄与を取り除くことで、大気上端（TOA）IRFの人為的傾向を観測できます。データ解析は、計算効率が高く、関連するほとんどのモデリング手法や結果とは独立した方法でも行われました。放射強制力は、2003年から2018年にかけて+0.53 W m ⁻²（±0.11 W m ⁻²）増加したことが直接観測されました。増加分の約20%は、大気エアロゾル負荷の減少に関連しており、残りの80%のほとんどは、温室効果ガス負荷の増加によるものでした。^{[ 18 ] [ 24 ] [ 25 ]}     

地球規模のCO _{2 の}増加による放射不均衡の上昇傾向は、地上の機器によって以前から観測されている。例えば、このような測定は、オクラホマ州とアラスカ州の 2 つの大気放射測定(ARM) サイトにおいて、晴天条件下で別々に収集されている。^{[ 26 ]}それぞれの直接観測では、地表居住者が経験する関連する放射 (赤外線) 加熱が、2010 年までの 10 年間で+0.2  W  m ⁻²  (±0.07  W  m ^{−2 ) 増加したことが判明した。 [ 27 ] [ 28 ]}長波放射と最も影響力のある強制ガス ( CO ₂ ) のみに焦点を当てていることに加えて、この結果は、大気吸収による緩衝作用のため、TOA 強制よりも比例的に小さい。

放射強制力は、気候システムの外部にあるさまざまな要因への依存性について評価できます。^{[ 29 ]}次のセクションで要約されている基本的な推定値は、物質とエネルギーの物理学の第一原理に従って導出（組み立て）されています。強制力（ΔF）は、惑星の全表面と特定の時間間隔にわたる変化として表されます。推定値は、数十年以上にわたる地球規模の気候強制力の文脈で重要になる可能性があります。^{[ 5 ]} IPCCのAR6レポートで提示されているガス強制力の推定値は、大気応答（つまり実効放射強制力）を介して発生するいわゆる「高速」フィードバック（正または負）を含めるように調整されています。

二酸化炭素（CO ₂）の簡略化された一次近似式は次のとおりです。 ^{[ 31 ]}

${\displaystyle \Delta F=5.35\times \ln {(C_{0}+\Delta C) \over C_{0}}~~(\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2})\,}$、

ここで、C ₀は体積比で百万分率 (ppm) で表される基準濃度であり、ΔC はppm で表される濃度変化です。一部の研究 (例えば、気候感度) では、C ₀は人為的な大きな変化が起こる前の濃度として用いられ、 1750 年については 278 ppm と推定されています。

人間の活動による温室効果ガスの大気負荷は、ここ数十年（1950年頃から）特に急速に増加しています。二酸化炭素の場合、1750年から2020年までに実現した50%の増加（C/ _C0 = 1.5）は、累積放射強制力の変化（ΔF）+2.17 W/m2に相当します。[6] 排出量の増加経路に変化がないと仮定すると、今後数十年以内に^濃度が^2倍（ C /C0 ₌ ^{2）になると、累積放射強制力の変化（ΔF）+3.71 W/ m2}に相当します。

CO ₂と放射強制力の関係は、現在の値の約 8 倍までの濃度では対数的です。 ^{[ 32 ]}そのため、一定の濃度増加は徐々に温暖化効果を小さくします。しかし、高濃度では一次近似は不正確であり、CO ₂による赤外線の吸収には飽和がありません。^{[ 33 ]}対数スケーリングの背後にあるさまざまなメカニズムが提案されていますが、二酸化炭素のスペクトル分布が重要であるようです。^{[ 34 ]}特に、分子内に存在するフェルミ共鳴に起因する関連する 15 μm バンドの広がりです。^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

メタンや窒素などの他の微量温室効果ガスには、やや異なる計算式が適用される。₂ O(平方根依存性) またはCFCs(線形) で、係数は例えばIPCC の報告書で見つけることができます。 ^{[ 38 ]} 2016 年の研究では、メタンの IPCC 式を大幅に修正することが提案されています。 ^{[ 39 ]}地球の大気中で最も影響力のある微量ガスによる強制力は、最近の増加傾向を説明するセクションと、IPCC の温室効果ガスのリスト。

水蒸気は地球の主要な温室効果ガスであり、現在、大気中のガス強制力の約半分を占めています。大気中の水蒸気の濃度は、ほぼ完全に惑星の平均温度に依存しており、温度が1度（℃）上昇するごとに最大7%増加する可能性があります（クラウジウス・クラペイロンの関係も参照）。^{[ 40 ]}したがって、長い時間スケールでは、水蒸気は二酸化炭素やその他の微量ガスの増加によって引き起こされる放射強制力を増幅するシステムフィードバックとして機能します。^{[ 41 ] [ 42 ]}

すべての波長を含む太陽放射の強度は全太陽放射照度(TSI) であり、平均的には太陽定数です。地球の年間平均軌道半径である 1天文単位の距離で、大気圏上層で測定した場合、約 1361  W  m ⁻²に等しくなります。 ^{[ 43 ]}地球の TSI は、太陽活動と惑星の軌道力学の両方によって変化します。ERB 、ACRIM 1-3、VIRGO、TIM ^{[ 44 ] [ 45 ]}を含む複数の衛星搭載機器は、 1978 年以来、精度と確度を向上させながら TSI を継続的に測定しています。^{[ 46 ]}

地球を球体と近似すると、太陽にさらされる断面積は（$\pi r^2$）は惑星の表面積の4分の1に等しい（${\textstyle 4\pi r^{2}}$地球の大気表面1平方メートルあたりの太陽放射照度の世界平均および年間平均量（${\textstyle I_{0}}$）はTSIの4分の1に等しく、ほぼ一定の値を持つ。${\textstyle I_{0}=340~~\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2}}$。

地球は太陽の周りを楕円軌道 で公転しているため、任意の瞬間に受けるTSIは、約1321 W  m ⁻² ( 7月上旬の遠日点 ) から 1412 W  m ⁻² (1月上旬の近日点) の間で変動し、したがって毎年約±3.4%変動します。^{[ 47 ]}この放射照度の変化は、地球の季節的な気象パターンや気候帯にわずかな影響しか与えません。これらは主に、地球の相対的な傾斜方向の年間サイクルによって生じます。^{[ 48 ]}このような繰り返されるサイクルは、数十年にわたる気候変動の文脈では、（定義により）正味ゼロの強制力をもたらします。

平均年間TSIは、典型的な11年周期の太陽黒点活動サイクル中に約1360  W  m ⁻²から1362  W  m ⁻² (±0.05%)の間で変動します。^{[ 49 ]}太陽黒点の観測は1600年頃から記録されており、11年周期（シュワーベ周期）を変調するより長い周期の振動（グライスベルク周期、デヴリース/スース周期など）の証拠を示しています。このような複雑な挙動にもかかわらず、11年周期の振幅は、この長期観測記録全体を通して最も顕著な変動となっています。^{[ 50 ]}

太陽黒点に関連するTSIの変動は、10年規模の気候変動において、小さいながらもゼロではない正味の強制力に寄与している。^{[ 46 ]}いくつかの研究では、火山活動や森林破壊の同時的な変化とともに、小氷期の気候変動に部分的に影響を与えた可能性があることが示唆されている。^{[ 51 ]} 20世紀後半以降、平均TSIは太陽黒点活動の低下傾向とともにわずかに低下傾向にある。^{[ 52 ]}

太陽放射照度の変動によって引き起こされる気候強制は、約 40,000 年から 100,000 年周期のミランコビッチ サイクル中に発生しています。ミランコビッチ サイクルは、地球の軌道離心率 (または楕円率) の長期サイクル、軌道傾斜角 (または軸傾斜) のサイクル、および相対傾斜方向の歳差運動から構成されます。 ^{[ 53 ]}これらのうち、100,000 年周期の離心率により、TSI は約 ±0.2% 変動します。^{[ 54 ]}現在、地球の離心率は最も楕円率が低い (最も円形に近い) 状態に近づいており、平均年間 TSI が非常にゆっくりと減少しています。^{[ 53 ]}シミュレーションでは、地球の軌道力学は、これらの変動を含めて、少なくとも今後 1,000 万年間は安定した状態を維持する ことも示されています。 ^{[ 55 ]}

太陽は約45億年前に形成されて以来、水素燃料の約半分を消費しました。^{[ 56 ]} TSIは老化の過程で1億年ごとに約1%の割合でゆっくりと増加し続けます。このような変化率は測定で検出するには小さすぎ、人間の時間スケールでは重要ではありません。

過去10年間における地球の太陽放射照度の最大相対変動（Δτ）を、添付の表にまとめた。これまで説明した各変動は、以下の強制力をもたらす。

${\displaystyle \Delta F=~I_{0}\times (1-R)\times \Delta \tau ~~=~238\times \Delta \tau ~~(\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2})\,}$、

ここで、R=0.30は地球の反射率である。太陽の日射量の変化から生じる放射強制力と気候強制力は、まだ発見されていない太陽物理学のいくつかの現象にもかかわらず、引き続き小さいと予想される。^{[ 52 ] [ 58 ]}

入射する太陽放射の一部は、雲やエアロゾル、海洋や地形、雪や氷、植生、その他の自然および人工の表面の特徴によって反射されます。反射される割合は地球のボンドアルベド（R）として知られており、大気圏の最上部で評価され、年間平均で地球全体で約0.30（30%）の値をとります。地球が吸収する太陽エネルギーの全体的な割合は、（1−R）または0.70（70%）となります。^{[ 59 ]}

大気成分は地球のアルベドの約4分の3を占め、雲だけでその半分を占めています。雲と水蒸気の主な役割は、地球の地殻を覆う液体の水が大部分を占めていることと関連しています。雲の形成と循環の地球規模のパターンは非常に複雑で、海洋熱流と連動しており、ジェット気流が雲の急速な輸送を助けています。さらに、地球の北半球と南半球のアルベドは、ほぼ等しい（0.2%以内）ことが観測されています。これは、陸地の3分の2以上と人類の85%が北半球にあることを考えると注目に値します。^{[ 60 ]}

MODIS、VIIR、CERESなどの複数の衛星搭載機器は、1998年以来、地球のアルベドを継続的に監視してきました。^{[ 61 ]} 1972年から利用可能なLandsat画像も、いくつかの研究で使用されています。^{[ 62 ]}近年、測定精度が向上し、結果が収束したため、惑星アルベドの最近の10年間の強制力の影響をより確実に評価できるようになりました。^{[ 60 ]}それにもかかわらず、既存のデータ記録は、長期的な予測をサポートしたり、他の関連する問題に対処したりするにはまだ短すぎます。

惑星アルベドの季節変動は、地球の相対的な傾斜方向の年間サイクルに主に反応して発生する一連のシステムフィードバックとして理解できます。大気の反応に加えて、地表の住人にとって最も明らかなのは、植生、雪、海氷の被覆の変化です。地球の平均アルベドの約±0.02（±7%）の年間変動が1年を通して観測されており、各太陽分点の時期の前後に年に2回最大値が発生します。^{[ 60 ]} この繰り返しサイクルは、数十年にわたる気候変動の文脈では正味ゼロの強制力に寄与します。

地域ごとのアルベドは、自然現象、人間の活動、およびシステム間のフィードバックによって年々変化します。例えば、森林伐採などの人間の行為は一般的に地球の反射率を高めますが、乾燥地帯への貯水や灌漑の導入は反射率を低下させる可能性があります。同様にフィードバックを考慮すると、北極圏の氷の減少はアルベドを低下させ、低緯度から中緯度にかけての砂漠化の拡大はアルベドを増加させます。

2000年から2012年の間、CERESで測定された値の標準偏差0.1%の範囲内では、地球のアルベドに全体的な傾向は認められなかった。^{[ 60 ]} 半球の等価性に加えて、一部の研究者は、年ごとの差が著しく小さいことを、惑星のアルベドが現在、複雑なシステムフィードバックの作用によって制約されている証拠と解釈している。しかしながら、歴史的な証拠は、大規模な火山噴火などのまれな事象が、惑星のアルベドを数年間以上にわたって大きく変動させる可能性があることも示唆している。^{[ 63 ]}

21世紀最初の10年間における地球のアルベドの測定された相対変化（Δα ）は、添付の表にまとめられています。TSIと同様に、惑星アルベドの相対変化（ Δα）による放射強制力は次のようになります。

${\displaystyle \Delta F=~-I_{0}\times R\times \Delta \alpha ~~=~-102\times \Delta \alpha ~~(\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2})\,}$。

衛星観測によると、最近の自然および人為的な変化にもかかわらず、さまざまな地球システムフィードバックによって惑星のアルベドが安定していることが示されています。^{[ 61 ]} より長い時間スケールでは、このような外部変化によって生じる正味の強制力が小さいままであるかどうかはより不確実です。