意味 地球の温室効果は 次のように定義される。「大気中のすべての赤外線吸収成分による赤外線放射効果。温室効果ガス （GHG）、雲 、および一部のエアロゾルは 、地球表面および大気中の他の場所から放出される地球放射を吸収する。」[ 16 ] ：
温室効果の増大とは、 大気中の温室効果ガスの濃度を（人間の活動によって）増加させることで、自然の温室効果が増大するという事実を指す。[ 16 ] ：
用語 温室効果という 用語は、温室 との類似性 から来ています。温室と温室効果は どちらも太陽光からの熱を保持することで機能しますが、熱を保持する方法は異なります。温室は主に対流 （空気の動き）を遮断することによって熱を保持します。[ 17 ] [ 18 ] 放射伝達 を制限し、熱放射が宇宙に放出される速度を低下させることによって熱を保持します。[ 5 ]
発見と調査の歴史 温室効果とその気候への影響は、1912年の
『ポピュラーメカニクス』 誌の記事で簡潔に説明されており、一般の人々にも読みやすい内容となっている。
温室効果の存在は、そのように名付けられてはいなかったものの、早くも1824年にジョセフ・フーリエ によって提唱された。[ 11 ] クロード・プイエによってさらに強化された。1856年 、ユーニス・ニュートン・フットは 、太陽の温暖化効果は、乾燥した空気よりも水蒸気を含む空気の方が大きく、二酸化炭素を含む空気ではさらに大きくなることを実証した。彼女は、「そのガスの大気は、地球に高温をもたらすだろう…」と結論付けた。[ 13 ]
ジョン・ティンダルは 、さまざまなガスや蒸気の赤外線吸収と放出を初めて測定した人物です。1859年以降、彼はその効果が大気のごく一部によるものであり、主要なガスは影響を与えず、主に水蒸気によるものであることを示しましたが、少量の炭化水素と二酸化炭素も大きな影響を与えていました。[ 20 ] この効果は、1896年にスヴァンテ・アレニウス によってより完全に定量化され、彼は大気中の二酸化炭素が仮想的に倍増することによる地球温暖化の最初の定量的予測を行いました。[ 21 ] 温室 という用語は、 1901年にニルス・グスタフ・エクホルム によってこの現象に初めて適用されました。 [ 14 ] [ 15 ]
1896年、スヴァンテ・アレニウスは、 ラングレーの観測結果に基づき、月光が大気中を低角度で通過し、二酸化炭素 （CO₂ ）に多く遭遇することで赤外線の吸収が増加するという現象を利用して、将来の CO₂ 減少による大気冷却効果を推定した。彼は、大気が冷えると水蒸気（別の温室効果ガス ）の保持量が少なくなることに気づき、その冷却効果を計算した。また、冷却によって高緯度地域では雪や氷の被覆が増加し、地球がより多くの太陽光を反射するため、ジェームズ・クロールが仮説を立てたようにさらに冷却が進むことにも気づいた。アレニウスは、 CO₂を 半分に減らすだけで氷河期が到来すると計算した。さらに、大気中のCO₂が倍増すると、気温 が5～6℃上昇すると計算した。[ 22 ]
ティンダル、レヒャーとプレトナー、ケラー、レントゲン、アレニウスの研究により、大気中の二酸化炭素と水蒸気は熱線を吸収して一時的に保持する顕著な能力を持つ一方、大気中の酸素、窒素、アルゴンはこの能力をわずかにしか持たないことが示されています。したがって、二酸化炭素と水蒸気の効果は、地球を熱吸収性の層で覆うことになります。 …大気中の二酸化炭素と水蒸気の量が大幅に増加または大幅に減少した場合に生じる一般的な結果は、次のように要約できます。
a. 二酸化炭素の増加は、太陽放射エネルギー の吸収量を増やすことで平均気温を上昇させ、減少は平均気温を低下させる。ラングレー教授の観測結果を詳細に数学的に考察したアレニウス博士の推定では、二酸化炭素の量が現在の2～3倍に増加すると、平均気温は8～9 ℃上昇し、中期第三紀に見られたような温暖な気候が到来するだろう。一方、大気中の二酸化炭素の量が現在の55～62%に減少すると、平均気温は4～5℃低下し、更新世に匹敵する氷河期が到来するだろう。 b. 大気中の二酸化炭素量の増減による第二の効果は、一方では地表温度の均一化、他方では地表温度の差異化である。[...] [ 23 ]
測定 二酸化炭素 が 温室効果を引き起こす仕組み。物質は、その温度の4乗に比例する 速度で熱放射 を放出します。地球表面から放出される放射の一部は、温室効果ガスや雲によって吸収されます。この吸収がなければ、地球表面の平均温度は-18 ℃（-0.4 °F） になります。しかし、放射の一部が吸収されるため、地球の平均表面温度は約15 ℃（59 °F）です。したがって、地球の温室効果は、 33 ℃（59 °F） の温度変化 として測定できます。
熱放射は、それが運ぶエネルギーの量によって特徴付けられ、通常は平方メートルあたりのワット数 (W/m 2 ) で表されます。科学者はまた、地球の表面から放出される長波熱放射が宇宙に到達する量よりもどれだけ多いかに基づいて温室効果を測定します。[ 24 ] : [ 24 ] : [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] 2 の割合で表面から放出されますが、宇宙に到達するのは 239 W/m 2 だけです。したがって、地球の温室効果は、159 W/m 2の エネルギーの流れの変化 としても測定できます。[ 24 ] : 968 [ 24 ] : 934 [ 24 ] : 968 [ 25 ] [ 28 ]
温室効果が気温の変化として表現されるか、長波熱放射の変化として表現されるかにかかわらず、測定されている効果は同じである。[ 25 ]
エネルギーバランスと温度
外向き長波放射 温室効果とは、地球から放出される長波放射の量が減少する現象であり、地球の放射収支に影響を与える。放出される放射のスペクトルは、様々な温室効果ガスの影響を示している。 地球とその大気は、熱赤外線 または地表放射 としても知られる長波放射 を放出します。[ 16 ] ： 2251 熱放射 と呼ばれることもあります。外向き長波放射 （OLR）は、地球とその大気から大気を通過して宇宙空間に放出される放射です。
温室効果は、地球から放出される長波放射を周波数（または波長）の関数として表したグラフで直接見ることができます。地球表面から放出される長波放射の曲線と、地球から放出される長波放射の曲線の間の面積は、温室効果の大きさを示しています。[ 27 ]
異なる物質は、異なる周波数で宇宙に到達する放射エネルギーを減少させる役割を担っており、一部の周波数では複数の物質が役割を果たしている。[ 26 ] 二酸化炭素は、約667 cm −1 （波長15マイクロメートルに相当）付近での放射の減少（およびそれに伴う温室効果の増加）の原因であると理解されている。[ 45 ]
温室効果ガスを含む大気層はそれぞれ、下層から上向きに放射される長波放射の一部を吸収します。また、吸収した量と平衡した長波放射を上向きと下向きの両方に全方向に放出します。これにより、放射による熱損失が減り、下層の温度が上昇します。ガスの濃度が上昇すると、吸収と放出の量が増加し、その結果、地表と下層に保持される熱量が増加します。[ 2 ]
有効温度 一定量の熱放射を放出するために必要な温度。 惑星から放出される長波放射のパワーは、その惑星の実効温度 に相当します。実効温度とは、均一な温度（黒体 ）で放射する惑星が、同じ量のエネルギーを放射するために必要な温度のことです。
この概念は、宇宙空間に放出される長波放射量と地表から放出される長波放射量を比較するために使用できる。
宇宙への放射： 宇宙への長波放射の放射に基づくと、地球の全体的な有効温度は -18 °C (0 °F) です。[ 46 ] [ 2 ] 地表からの放射： 地表からの熱放射に基づくと、地球の実効地表温度 は約16 °C (61 °F) であり、[ 24 ] : 934 34 °C (61 °F) 高い。 地球の表面温度は、多くの場合、地表付近の平均気温で報告されます。これは、有効表面温度より約15 °C (59 °F) [ 4 ] [ 47 ] 33 °C (59 °F)高い値です。
エネルギーの流れ エネルギーフラックス とは、単位面積あたりのエネルギーの流れの速度のことです。エネルギーフラックスは W/m 2の単位で表され、これは毎秒 1 平方メートルを通過するエネルギーの ジュール 数です。気候に関する高レベルの議論で引用されるフラックスのほとんどは地球全体の値であり、これは地球の表面積5.1 × 10 14 m 2 (5.1 × 10 8 km 2 ; 2.0 × 10 8 mi 2 ) で割った、地球全体のエネルギーの総流量を意味します。[ 48 ]
地球に到達および地球から放出される放射線のフラックスは重要である。なぜなら、放射伝達は 地球と宇宙の他の部分との間でエネルギーを交換できる唯一のプロセスだからである。[ 49 ] ：
放射収支 地球のエネルギー不均衡は21世紀に入ってから増加し、IPCC の以前の推定値の2倍に達している。[ 50 ] [ 50 ] 惑星の温度は、入射放射と出射放射のバランス によって決まります。入射放射が出射放射を上回ると、惑星は温暖化します。出射放射が入射放射を上回ると、惑星は冷え込みます。惑星は放射平衡 状態に向かう傾向があり、その状態では出射放射のパワーが吸収される入射放射のパワーと等しくなります。[ 51 ]
地球のエネルギー不均衡 とは、地球の表面または大気によって吸収される入射太陽光のエネルギーが、宇宙に放出される長波放射のエネルギーを上回る量のことです。エネルギー不均衡は、地表温度を左右する基本的な測定値です。[ 52 ] の プレゼンテーションでは、「EEIは、地球温暖化と気候変動の継続の見通しを定義する最も重要な数値である」と述べています。[ 53 ] [ 54 ]
地球のエネルギー不均衡 (EEI) は 2015 年時点で約 0.7 W/m 2 であり、地球全体が熱エネルギーを蓄積し、温暖化の過程にあることを示している。[ 24 ] : [ 50 ]
保持されたエネルギーの90%以上は海洋の温暖化に使われ、陸地、大気、氷の加熱にはごくわずかな量しか使われていない。[ 55 ]
地球のアルベド（太陽光の反射/吸収）を変えずに、温室効果ガスと雲が除去されるか、長波放射を吸収する能力を失うという仮想シナリオと、現実の地球の長波放射の上向きの流れを比較します。上図は、大気圏上端（TOA）で測定された地球の加熱と冷却のバランスを示しています。パネル（a）は、活発な温室効果による実際の状況を示しています。[ 56 ] [ 56 ]
昼夜サイクル 単純な図では定常状態を仮定していますが、現実の世界では、昼夜（日周 ）サイクル、季節サイクル、気象変動などが事態を複雑にしています。太陽熱は日中のみ作用します。夜間は、気候システムの熱慣性が 昼夜を問わず、また長期間にわたって変化に抵抗するため、大気は多少冷却されますが、それほど大きくは冷却されません。[ 57 ] 日中の温度変化は、 大気の高度とともに減少します。
減額率の影響
解約率 大気の下層部である対流圏では、 高度の上昇に伴って気温が低下します（または「気温減」します）。高度に伴う気温の変化率を気温減率 [ 58 ]
地球上では、平均して気温は約 6.5 °C/km (3.6 °F/1000 フィート) 低下しますが、これは変動します。[ 58 ]
気温の低下は対流 によって引き起こされます。地表で暖められた空気は上昇します。上昇するにつれて空気は膨張して冷えます 。同時に、他の空気は下降して圧縮され、暖まります。このプロセスにより、大気内に垂直方向の温度勾配が生じます。[ 58 ]
この垂直方向の温度勾配は温室効果に不可欠です。気温減率がゼロであれば（つまり、大気温度が高度によって変化せず、地表温度と同じであれば）、温室効果は発生しません（つまり、その値はゼロになります）。[ 59 ]
排出温度と高度 熱放射が放出された温度は、特定の波数における強度を黒体放射曲線 の強度と比較することによって決定できます。図では、放射温度はT min からT s の範囲です。「波数」は周波数を光速で割った値です。 温室効果ガスは、地球表面付近の大気を長波放射に対してほとんど不透明にする。大気が長波放射に対して透明になるのは、空気密度が低く、水蒸気が少なく、圧力 による吸収線の広がりがガス分子が吸収できる波長を制限する、より高い高度においてのみである。[ 60 ] [ 49 ]
任意の波長において、宇宙に到達する長波放射は、大気の特定の放射層 から放出されます。放出される放射の強度は、その層内の加重平均気温によって決まります。したがって、宇宙に放出される任意の波長の放射には、関連する有効放射温度 （または輝度温度 ）が存在します。[ 61 ] [ 49 ]
ある波長の放射線には、有効放射高度という ものも存在すると言える。これは、放射層内の高度の加重平均である。
有効放射温度と高度は波長（または周波数）によって変化する。この現象は、宇宙に放出される放射線のグラフを調べることで確認できる。[ 61 ]
温室効果ガスと気温減率 温室効果ガス（GHG）は、暖かい地表から 放出される長波放射の大部分を吸収します。一方、環境 減率 によって気温が低い高高度の希薄な空気中のGHGは、地表からの放出よりも低い割合で長波放射を宇宙に放出します。地球の表面は、波長が4～100マイクロメートルの長波放射を放射します。[ 62 ] [ 62 ]
地表付近の大気は長波放射に対してほぼ不透明であり、地表からの熱損失の大部分は蒸発 と対流 によるものである。しかし、大気の上層部では、重要な温室効果ガスである水蒸気の濃度が低下するため、放射によるエネルギー損失がますます重要になる。
宇宙に向かう長波放射が地表自体から発せられていると考えるよりも、この放射は対流圏中層の層から放出されていると考える方が現実的である。この層は 気温減率 によって地表と実質的に結合している。この2つの場所の温度差が、地表からの放出と宇宙への放出の差、つまり温室効果を説明する。[ 63 ] [ 64 ]
大気中の赤外線吸収成分
温室効果ガス 温室効果ガス（GHG）とは、惑星の大気から長波放射が放出されるのを妨げることで熱を閉じ込めるガスのことです。温室効果ガスは、地球のエネルギー収支 における温室効果の大部分を占めています。[ 16 ]
赤外線活性ガス 長波放射を吸収および放出できるガスは赤外線活性 [ 65 ]
分子が2種類の原子からなるほとんどのガス（一酸化炭素、CO など）と、3種類以上の原子からなるすべてのガス（H₂OやCO₂を含む） は 赤外線活性 であり、温室効果ガスとして作用します。（厳密には、これらの分子 が 振動する と、その振動によって分子双極子モーメント 、つまり電荷分布の非対称性が変化するためです。赤外分光法 を参照してください。）[ 16 ]
原子が1つだけの気体（アルゴン、Arなど）または同じ原子が2つだけの気体（窒素、Nなど）2 、酸素、O2 ) 赤外線活性を持たない。長波放射に対して透明であり、実際的な目的においては長波放射を吸収も放出もしない。（これは分子が対称であるため双極子モーメントを持たないためである。）このようなガスは乾燥大気の99%以上を占めている。 [ 16 ]
吸収と放出 長波長 吸収係数 。地球表面からの放射が強い波長域である15マイクロメートル（上段の目盛りでは15μm ）付近では、 二酸化炭素は 水蒸気よりもはるかに強い吸収体である。温室効果ガスは、特定の波長範囲（スペクトル線 またはバンド として整理されている）内の長波放射を吸収および放出します。[ 16 ]
温室効果ガスが放射線を吸収すると、獲得したエネルギーを熱エネルギー（すなわち、ガス分子の運動エネルギー）として周囲の空気に放出します。エネルギーは、分子衝突 を介して温室効果ガス分子から他の分子に伝達されます。[ 66 ]
時折言われることとは異なり、温室効果ガスは吸収された光子を「再放出」することはありません。各分子は毎秒数十億回の衝突を経験するため、温室効果ガス分子が光子を吸収して受け取るエネルギーは、新たな光子が放出される前に他の分子に再分配されます。[ 66 ]
別のプロセスでは、温室効果ガスは気温によって決まる速度で長波放射を放出します。この熱エネルギーは、他の温室効果ガス分子に吸収されるか、大気から放出されて大気を冷却します。[ 66 ]
放射効果 空気への影響: 空気は、潜熱 (浮力のある水蒸気 が凝結して水滴になり、熱を放出する)、熱上昇 (下から暖かい空気が上昇する)、および大気中で太陽光が吸収されることによって暖められます。[ 6 ] 対流圏 では、温室効果ガスは通常、吸収するよりも多くの熱放射を放出するため、空気に対して正味の冷却効果があります。空気の暖めと冷めは平均的にバランスが取れているため、大気はほぼ安定した平均温度を維持します。[ 49 ] : [ 67 ]
表面冷却への影響: 長波放射は、大気中の吸収と放出により上向きと下向きの両方に流れます。これらの相殺するエネルギーの流れにより、放射による表面冷却 (正味の上向き放射エネルギーの流れ) が減少します。潜熱輸送と熱は非放射による表面冷却を提供し、この減少を部分的に補償しますが、特定の表面温度では、表面冷却の正味の減少が依然としてあります。[ 49 ] : [ 67 ]
TOAエネルギー収支への影響： 温室効果ガスは、一定の地表面温度において、宇宙空間へ放出される長波放射のフラックスを減少させることで、大気上端（TOA）のエネルギー収支に影響を与えます。したがって、温室効果ガスはTOAにおけるエネルギー収支を変化させます。これは、宇宙空間へ放出されるエネルギーが太陽光からの入射エネルギーと釣り合うためには、地表面温度が（惑星の実効温度 、すなわち宇宙空間への放出に関連する温度よりも）高くなければならないことを意味します。[ 49 ] ： [ 67 ] [ 68 ] ：
地球大気中の熱の流れを示し、(a) 上向き放射熱流と上下方向の放射束、(b) 上向き非放射熱流（潜熱 と熱流 ）、(c) 各高度における大気の加熱と冷却のバランス、(d) 大気の温度プロファイルを示します。
雲とエアロゾル 雲やエアロゾルには、太陽光を宇宙空間に反射することによる冷却効果と、熱放射を閉じ込めることによる温暖化効果の両方がある。
平均的に、雲は正味の冷却効果を強く及ぼします。ただし、冷却効果と温暖化効果の組み合わせは、特定の雲の詳細な特性（種類、高さ、光学特性など）によって異なります。[ 69 ] [ 70 ]
大気エアロゾルは、地球システムに保持される入射
太陽放射 量と出射地球長波放射量を変化させることで、地球の気候に影響を与えます。これは、直接的、間接的
[ 71 ] [ 72 ] 、および半直接的エアロゾル効果に分けられるいくつかの異なるメカニズムを通じて発生します。エアロゾル気候効果は、将来の気候予測における最大の不確実性の原因です。
[ 73 ] 気候変動に関する政府間パネル （ IPCC ）は2001年に次のように述べています。
[ 74 ] 温室効果ガス による放射強制力は、かなり高い精度で決定できる可能性がある一方で、エアロゾルによる放射強制力に関する不確実性は依然として大きく、現時点では検証が困難な地球規模のモデリング研究による推定値に大きく依存している。
有効温度 与えられた熱放射束には、有効放射温度 または有効温度 黒体 （完全な吸収体/放射体）がその量の熱放射を放出するために必要な温度です。[ 75 ]
T e f f = （ O L R / σ ） 1 / 4 {\displaystyle T_{\mathrm {eff} }=(\mathrm {OLR} /\sigma )^{1/4}} ここで、OLRは宇宙空間に放出される外向き長波放射の平均フラックス（単位面積あたりの電力）であり、σ {\displaystyle \sigma } はステファン・ボルツマン定数 である。同様に、表面の有効温度は次式で与えられる。
T s u r f 1 c e 、 e f f = （ S L R / σ ） 1 / 4 {\displaystyle T_{\mathrm {表面,eff} }=(\mathrm {SLR} /\sigma )^{1/4}} ここで、SLR は地表面から放出される長波放射の平均フラックスです。（OLR は慣習的な略語です。SLR は地表面から放出される長波放射のフラックスを表すためにここで使用されていますが、これには標準的な略語はありません。）[ 76 ]
温室効果の指標 NASAのCERES衛星データに基づく、地球の温室効果の増加（2000年～2022年）。 IPCCは温室効果 G を159 W m -2 と報告している。ここでG は地表から出る長波熱放射のフラックスから宇宙に到達する外向き長波放射のフラックスを差し引いたものである。[ 24 ] : [ 25 ] [ 27 ] [ 26 ]
G = S L R − O L R 。 {\displaystyle G=\mathrm {SLR} -\mathrm {OLR} \;.} あるいは、温室効果は、次のように定義される正規化温室効果 g̃を用いて記述することができる。
g ～ = G / S L R = 1 − O L R / S L R 。 {\displaystyle {\チルダ {g}}=G/\mathrm {SLR} =1-\mathrm {OLR} /\mathrm {SLR} \;.} 正規化された温室効果とは、地表面から放出される熱放射量のうち、宇宙空間に到達しない割合のこと である。IPCCの数値に基づくと、g̃ = 0.40となる。つまり、地表面から放出される熱放射量よりも40パーセント少ない熱放射量が宇宙空間に到達するということである。[ 24 ] ： [ 25 ] [ 28 ]
温室効果は、温度差として定量化されることがある。この温度差は、上記の諸量と密接に関係している。
温室効果を温度差として表すと、Δ T G H E {\displaystyle \Delta T_{\mathrm {GHE} }}
Δ T G H E = T s u r f 1 c e 、 e f f − T e f f {\displaystyle \Delta T_{\mathrm {GHE} }=T_{\mathrm {面,eff} }-T_{\mathrm {eff} }} Δ T G H E = （ S L R / σ ） 1 / 4 − （ O L R / σ ） 1 / 4 {\displaystyle \Delta T_{\mathrm {GHE} }=\left(\mathrm {SLR} /\sigma \right)^{1/4}-\left(\mathrm {OLR} /\sigma \right)^{1/4}} 温室効果に関する非公式な議論では、実際の地表温度と、温室効果ガスが存在しない場合の地球の温度を比較することがよくあります。しかし、正式な技術的な議論では、温室効果の大きさを温度として定量化する場合、一般的に上記の式を使用します。この式は、実際の地表温度ではなく有効地表温度を参照し、現実を仮想的な状況と比較するのではなく、地表と大気圏上層を比較します。[ 76 ]
温度差、Δ T G H E {\displaystyle \Delta T_{\mathrm {GHE} }}
放射収支 温室効果は、惑星の冷却効率の低下として理解できます。温室効果は、地表から放出される放射束のうち、宇宙空間に到達しない部分、つまり40%または159 W/m²として定量化されます。 放出された放射の一部は、下方放射によって効果的に相殺されるため、熱を伝達 しません。蒸発と対流は、この地表冷却の減少を部分的に補償します。高高度の低温は、宇宙空間への熱放射率を制限します。 地球の大気上端 (TOA)エネルギー不均衡 (EEI) は、入射放射のパワーが放出放射のパワーを上回る量です。[ 53 ]
E E 私 = A S R − O L R {\displaystyle \mathrm {EEI} =\mathrm {ASR} -\mathrm {OLR} } ここで、ASRは吸収された太陽放射の平均フラックスである。ASRは次のように展開できる。
A S R = （ 1 − A ） M S 私 {\displaystyle \mathrm {ASR} =(1-A)\,\mathrm {MSI} } どこA {\displaystyle A} アルベド （反射率）であり、MSIは大気圏上端に到達する平均太陽放射照度です。
惑星の放射平衡温度は次のように表すことができる。
T r 1 d e q = （ A S R / σ ） 1 / 4 = [ （ 1 − A ） M S 私 / σ ] 1 / 4 。 {\displaystyle T_{\mathrm {radeq} }=(\mathrm {ASR} /\sigma )^{1/4}=\left[(1-A)\,\mathrm {MSI} /\sigma \right]^{1/4}\;.} 惑星の温度は放射平衡状態へと移行する傾向があり、その状態ではTOAエネルギー不均衡はゼロになります。E E 私 = 0 {\displaystyle \mathrm {EEI} =0}
T e f f = T r 1 d e q 。 {\displaystyle T_{\mathrm {eff} }=T_{\mathrm {radeq} }\;.} したがって、放射平衡の概念は、惑星がどのような有効温度に近づくかを示すため重要である。[ 77 ] [ 56 ]
有効温度がわかっている場合、T e f f {\displaystyle T_{\mathrm {eff} }}
温室効果と呼ばれる量が重要な理由はここにある。それは、地球の平均表面温度を決定する上で考慮される数少ない量の一つだからである。
温室効果と気温 一般的に、惑星は放射平衡に近い状態にあり、入射エネルギーと出射エネルギーのバランスが取れています。このような条件下では、惑星の平衡温度は、平均太陽放射照度と惑星のアルベド（吸収されずに宇宙空間に反射される太陽光の量）によって決まります。
温室効果は、地表が地球全体の有効温度よりもどれだけ暖かいかを測定するものです。つまり、有効地表温度は、T s u r f 1 c e 、 e f f {\displaystyle T_{\mathrm {surface,eff} }} Δ T G H E {\displaystyle \Delta T_{\mathrm {GHE} }}
T s u r f 1 c e 、 e f f = T e f f + Δ T G H E 。 {\displaystyle T_{\mathrm {surface,eff} }=T_{\mathrm {eff} }+\Delta T_{\mathrm {GHE} }\;.} 関係性を表現することもできるT s u r f 1 c e 、 e f f {\displaystyle T_{\mathrm {surface,eff} }} T e f f {\displaystyle T_{\mathrm {eff} }} G g̃を
つまり、温室効果が大きいほど地表温度が高くなるという原理は、他のすべての要因（つまり、温室効果の大きさを決定する要因）が一定であれば成り立つ。T e f f {\displaystyle T_{\mathrm {eff} }}
温室効果は、地球が放射平衡に向かって移動する傾向と相まって、地球全体の温度に影響を与えることに注意してください。[ 78 ]
誤解 地球全体の熱の流れ。熱（正味エネルギー）は常に高温から低温へと流れ 、熱力学第二法則 に従います。[ 79 ] 温室効果がどのように働き、気温を上昇させるのかについて、時として誤解が生じることがある。
表面収支の誤謬 は、思考におけるよくある誤りである。[ 68 ] ： CO2 濃度の上昇は、大気の放射率を高めることで地表への下方熱放射を増加させることによってのみ温暖化を引き起こすという考え方である。地表付近の大気がすでに熱放射に対してほぼ不透明である場合、CO2の増加は気温上昇にはつながらないことになる。 しかし 、大気上端のエネルギー収支ではなく、地表のエネルギー収支に焦点を当てるのは誤りである。地表で何が起こるかに関わらず、CO2濃度の上昇は宇宙空間に到達する熱放射（OLR ）を減少させる傾向があり、 大気 上端のエネルギー不均衡を引き起こし、温暖化につながる。Callendar （1938）[ 80 ] や （ 1959）などの初期の研究者は地表収支に焦点を当てていたが、1960年代の Manabe の研究は、大気上端のエネルギー収支の重要性を明らかにした。[ 68 ] ： 414
温室効果を信じない人々の中には、温室効果とは、熱力学第二法則 に反して、温室効果ガスが冷たい大気から地球の暖かい表面に熱を送ることであるという誤った考えがある。[ 79 ] [ 81 ] 正味のエネルギーの流れである。 [ 78 ] 放射熱流は、地表が大気や宇宙よりも暖かいことを考えると当然 のことながら、地表から大気や宇宙の方向に発生する。 [ 6 ] 放射熱伝達 の通常のプロセスの一部である。[ 82 ] [ 66 ]
簡略化されたモデル エネルギーは宇宙、大気、地表の間を流れ、大気中の温室効果ガスが放射熱を吸収・放出することで、地球のエネルギーバランス に影響を与えている。データは2007年時点のもの。 温室効果がどのように発生し、それが地表温度にどのように影響するかを理解する上で、簡略化されたモデルが用いられることがある。
大気層モデル 温室効果は、空気が地面や宇宙と放射を交換する単一の均一な層として扱われる単純化されたモデル で発生することがわかります。 [ 83 ] [ 84 ]
等価排出高度 一つの簡略化として、すべての外向き長波放射は、惑星からの放射の全体的な有効温度に等しい高度から放出されているとみなす。T e f f {\displaystyle T_{\mathrm {eff} }} 85 ] 一部の著者はこの高度を有効放射レベル （ERL）と呼び、 CO2濃度が増加すると、そのレベルより上の CO2 の 質量 を [ 86 ]
このアプローチは、放射高度による放射波長の変化を考慮するよりも精度が低い。しかし、温室効果の簡略化された理解をサポートするのに役立つ可能性がある。[ 85 ] [ 87 ] [ 86 ] [ 64 ]
地球全体の等価排出高度は10年あたり23 メートル（75 フィート） の傾向で上昇しており、これは1979年から2011年の期間における10年あたり0.12 ℃（0.22 °F）の地球平均表面温暖化と一致するとされている。 [ 85 ]
負の温室効果 科学者たちは、南極大陸の一部で温室効果が負になることがあるのを観測している。[ 88 ] [ 89 ]
暴走温室効果 ほとんどの科学者は、太陽が老化するにつれて徐々に明るくなり、暴走温室効果が長期的には避けられず、地球上のすべての生命の終焉を招くと考えている。約10億年後、太陽の明るさが10%増加すると、地球の表面温度は47 ℃（117 °F）に達し（アルベド が十分に増加しない限り）、地球の温度は急速に上昇し、海は沸騰して蒸発し、現在の金星のような温室惑星になるだろう。
地球以外の天体 太陽系 では、地球以外にも、少なくとも2つの惑星と1つの衛星が温室効果を持っている。
金星 金星 の温室効果は特に大きく、表面温度は735 K (462 °C; 863 °F) にも達します。これは、約97%が二酸化炭素で構成された非常に濃密な大気によるものです。[ 91 ]
金星は地球よりも太陽に約30%近いにもかかわらず、地球よりも吸収（および温められる）太陽光が少ない 。これは、金星が入射太陽光の77%を反射するのに対し、地球は約30%しか反射しないためである。温室効果がなければ、金星の表面温度は232 K（-41 °C、-42 °F） になると予想される。したがって、一般的に考えられていることとは異なり、太陽に近いことが金星が地球よりも暖かい理由ではない。[ 93 ] [ 94 ] [ 95 ]
高圧のため、金星の大気中のCO2は連続吸収（広範囲の波長にわたる吸収）を示し、 地球 での吸収に関連する帯域内の吸収に限定されません。[ 61 ]
金星 では長年にわたり、二酸化炭素と水蒸気が関与する暴走温室効果が起こったと仮説が立てられてきました。[ 96 ] この 考え [ 97 ] では 暴走温室効果が発生し、大気の96%が二酸化炭素 で、表面気圧は地球の 900m （3,000 フィート） 下の気圧とほぼ同じになりました。金星には水の海があったかもしれませんが、平均表面温度が現在の735K （462 °C、863 °F） まで上昇すると、それらは蒸発してしまったでしょう。[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ]
タイタン 土星 の衛星タイタン には、温室効果と反温室効果の 両方がある。大気中の窒素（ N 2 ）、メタン（CH 4 ）、水素（H 2 ）の存在は温室効果に寄与し、これらのガスがない場合の天体の予想温度よりも表面温度を21 K（38 °F）上昇させる。 [ 91 ] [ 105 ]
窒素ガス と水素ガス は通常赤外線を吸収しないが、タイタンでは圧力による衝突、大気の質量と厚さが大きいこと、冷たい表面からの熱放射の波長が長いことなどにより、これらのガスは熱放射を吸収する。[ 61 ] [ 91 ] [ 105 ]
太陽放射の波長を吸収するが赤外線に対しては透明な高高度の霞の存在は、約9 K (16 °F) の反温室効果に寄与する。[ 91 ] [ 105 ]
これら2つの効果の正味の結果は、21 K − 9 K = 12 K (22 °F) の温暖化であり、したがってタイタンの表面温度94 K (−179 °C; −290 °F) は、大気がない場合よりも12 K暖かい。[ 91 ] [ 105 ]
圧力の影響 様々な天体における温室効果の相対的な大きさは、大気中の温室効果ガスの量を比較するだけでは予測できません。なぜなら、温室効果の大きさを決定する上で、これらのガスの量以外の要因も影響するからです。
大気圧は、温室効果ガスの各分子が吸収できる熱放射の量に影響を与えます。高圧では吸収量が増え、低圧では吸収量が少なくなります。[ 61 ]
これはスペクトル線 の「圧力広がり」によるものです。大気圧が高いほど、分子間の衝突頻度が高くなります。衝突によって吸収線の幅が広がり、温室効果ガスはより広い波長範囲の熱放射を吸収できるようになります。[ 68 ] ：
地球表面付近の空気中の分子は、1秒間に約70億回の衝突を経験します。この率は、気圧と温度の両方が低い高高度では低くなります。[ 106 ] [ 60 ] [ 49 ]
他の惑星では、圧力の広がりによって、温室効果ガスの各分子は、大気圧が高い場合（金星のように）は熱放射を閉じ込める効果が高まり、大気圧が低い場合（火星のように）は熱放射を閉じ込める効果が低くなる。[ 61 ]
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![{\displaystyle T_{\mathrm {radeq} }=(\mathrm {ASR} /\sigma )^{1/4}=\left[(1-A)\,\mathrm {MSI} /\sigma \right]^{1/4}\;.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e506f063ecbac24ba1c6397994e83f6fb09e25f5)
