拡散した天空放射

拡散天空放射は、大気中の分子や微粒子によって直射太陽光線から散乱された後、地球の表面に到達する太陽​​放射です。これは天空放射とも呼ばれ、空の色を変える決定的なプロセスです。太陽光全体の直射放射の約 23% は、大気中に散乱することによって直射太陽光線から除去されます。この量 (入射放射) のうち、約 3 分の 2 が最終的に光子拡散天空放射として地球に到達します。^{[引用が必要]}

大気中の主な放射散乱過程はレイリー散乱とミー散乱です。これらは弾性的であり、光子は吸収されずに波長を変えることなく進路から逸れる可能性があります。

曇り空の下では直射日光はなく、すべての光は拡散した天空光の放射から生じます。

フィリピンのピナツボ火山の噴火（1991年6月）の余波の分析やその他の研究から：^{[2] [3]} 拡散した天空光は、その固有の構造と動作により、樹冠下の葉を照らし、そうでない場合よりも効率的な植物全体の光合成を可能にします。これは、直射日光が下層の葉に影を落とし、植物の光合成が上層樹冠に限定される、完全に晴れた空の影響とはまったく対照的です（以下を参照）。

地球の大気は、長波長の光よりも短波長の光をより効率的に散乱します。波長が短いため、青色光は長波長の光、赤や緑よりも強く散乱します。そのため、直射日光から離れて空を見ると、人間の目は空を青く認識します。^[4]認識される色は、単色の青（波長474～476 nm）と白色光、つまり不飽和の青色光を混ぜた色に似ています。^{[5] 1871年に}レイリー卿が青色について説明したことは、 物理学の問題を解くために次元解析を適用した有名な例です。^[6]

散乱と吸収は、大気による太陽光の減衰の主な原因です。散乱は、入射光の波長に対する大気中の粒子の直径の比率の関数として変化します。この比率が約 10 分の 1 未満のとき、レイリー散乱が発生します。(この場合、散乱係数は波長の 4 乗に反比例して変化します。比率が大きいほど、散乱はより複雑な形で変化します。これは、ミー理論で球形粒子について説明されています。) 比率が高いほど、幾何光学の法則が適用され始めます。

毎日、日の出や日の入りを経験する世界中のあらゆる場所で、可視光線のほとんどの太陽光線は地球の表面にほぼ接線で到達します。ここでは、大気を通過する太陽光の経路が長くなり、青や緑の光の多くが、知覚可能な可視光線の線から離れて散乱されます。この現象により、太陽光線とそれが照らす雲は、日没や日の出を見るときに見られるオレンジから赤の豊かな色になります。

太陽が天頂にある場合、明るい昼間に空が青く見えるのはレイリー散乱によるもので、これには二原子ガスNも関与している。
₂とO
₂日没近く、特に薄暮時には、オゾン（O
₃）は夕方の空の 青色を維持するのに大きく貢献します。

曇り空では直射日光は基本的にないので、すべての光は拡散した空からの放射です。雲粒は光の波長よりも大きく、すべての色をほぼ均等に散乱するため、光の束は波長にあまり依存しません。光は、すりガラスのように半透明の雲を通過します。強度は、比較的薄い雲の場合は直射日光の1 ⁄ 6 程度、最も厚い嵐の雲の場合は直射日光の1 ⁄ 1000^{程度までの範囲です。 [要出典]}

総太陽放射量を表す式の一つは次の通りである: ^[7]

${\displaystyle H_{t}=H_{b}R_{b}+H_{d}R_{d}+(H_{b}+H_{d})R_{r}}$

ここで、H _bはビーム放射照度、R _bはビーム放射の傾斜係数、H _dは拡散放射照度、R _dは拡散放射の傾斜係数、R _{r は}反射放射の傾斜係数です。

R _{b は}次のように与えられます。

${\displaystyle R_{b}={\frac {\sin(\delta )\sin(\phi -\beta )+\cos(\delta )\cos(h)\cos(\phi -\beta )}{ \sin(\delta )\sin(\phi )+\cos(\delta )\cos(h)\cos(\phi )}}}$

ここで、δは太陽の赤緯、Φは緯度、βは水平からの角度、h は太陽時角です。

R _{d は}次のように与えられます。

${\displaystyle R_{d}={\frac {1+\cos(\beta )}{2}}}$

そしてR _{r は}次のように表されます:

${\displaystyle R_{r}={\frac {\rho (1-\cos(\beta ))}{2}}}$

ここでρは表面の 反射率です。

1991年6月にフィリピンの 火山ピナツボ山 が噴火し、およそ10 km ³ (2.4 立方マイル)のマグマと1,700万トン(17テラグラム)の二酸化硫黄(SO2 _{)が大気中に放出され、} 1991年のクウェートの火災の10倍のSO2を放出した_。 [ ^8]そのほとんどは1991年6月15日の爆発的なプリニー式/超プリニー式噴火の際に発生し、地球規模の成層圏SO2_の煙霧層が何年も続いた。この結果、地球の平均気温は約0.5 °C (0.9 °F)低下した。^[9]火山灰は急速に大気圏から落下するため、 ^[10]噴火による農業への悪影響は、厚い火山灰の層によって、噴火現場近くの比較的狭い範囲に即時に及んだ。^{[11] [12]}しかし、地球全体では、数か月間太陽放射が5%低下し、直射日光が30%減少したにもかかわらず、^[13]世界の農業への悪影響はなかった。^{[2] [14]驚くべきことに、}北方林地域を除いて、世界の農業生産性と林業の成長は3～4年で増加した。 [ ^{15 ]}

発見のきっかけは、当初、二酸化炭素（CO2 _）が大気に充填される速度の不思議な低下が観測されたことであり、これは「キーリング曲線」として知られるグラフに示されています。^[17]これにより、多くの科学者が、この減少は地球の温度の低下によるものであり、それに伴い植物と土壌の呼吸が遅くなり、火山の煙霧層が世界の農業に悪影響を及ぼしていることを示していると推測しました。[ ^{2] [14]}しかし調査の結果、大気に充填される二酸化炭素の速度の低下は、植物の呼吸速度が低下したという仮説と一致しませんでした。^{[18] [19]}代わりに、この有利な異常は、地球全体の植物の成長/純一次生産のかつてない増加と比較的確実に関連しており、^{[20] 、地球全体の光合成の}炭素吸収効果の増加をもたらしました。^{[2] [14]}植物の成長の増加が可能になったメカニズムは、直射日光の30％の減少が拡散日光の量の増加または「強化」としても表現できるというものでした。^{[2] [18] [22] [14]}

この拡散した天空光は、その本質的な性質により、樹冠下の葉を照らし、そうでない場合よりも植物全体の光合成をより効率的にし、 ^{[2] [14]}植物の生えた表面からの蒸発冷却も増加させます。^[23]対照的に、完全に晴れた空とそこから生じる直射日光の場合、下層の葉に影が落ち、植物の光合成は樹冠上層に限定されます。^{[2] [14]}火山の煙霧層による世界的な農業の増加は、当然のことながら、火山から放出されない他のエアロゾル、たとえば「中程度の濃い煙負荷」汚染によっても生じます。同じメカニズムとして、「エアロゾル直接放射効果」が両方の背後にあります。^{[16] [24] [25]}

• ペシック、ピーター（2005年）。『Sky in a Bottle 』 。MIT Press。ISBN 978-0-262-16234-0。

• CV ラマン博士の講演: 空はなぜ青いのか?
• 空はなぜ青いのでしょうか？
• 青空とレイリー散乱
• 大気光学 (.pdf)、クレイグ・ボーレン博士、2013年12月6日アーカイブ、Wayback Machineにて