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赤外線大気窓は、大気ガスによる地表熱放射の吸収が比較的少ない赤外線スペクトルの大気窓です。 [ 1 ]この窓は、入射する太陽放射と宇宙への赤外線の放出のバランスを維持することで、大気温室効果において重要な役割を果たしています。地球の大気では、この窓はおおよそ 8 ～ 14 μm の領域ですが、水蒸気連続スペクトルでの強い吸収や雲による遮蔽のため、湿度が高い時や場所では狭くなったり閉じたりすることがあります。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]これは、およそ 5 μmから始まる地表熱放射のスペクトルの大部分をカバーしています。主に、水蒸気の吸収スペクトルの大きなギャップです。二酸化炭素は、長波長端の境界を設定する上で重要な役割を果たしています。オゾンは、窓の中央で透過を部分的に遮断します。
大気エネルギー収支における赤外線大気窓の重要性は、1928年にジョージ・シンプソンによって発見されました。これは、G. ヘットナーが1918年に水蒸気の吸収スペクトルのギャップについて行った実験研究に基づいています[ 7 ]。当時、コンピューターは利用できず、シンプソンは近似を用いたと述べています。彼は、放射される赤外線を計算するために近似が必要であることについて次のように書いています。「正確な解を得る望みはありませんが、適切な単純化の仮定を行うことで…」[ 8 ] 。今日では、正確な線ごとの計算が可能であり、赤外線大気ガスの分光法の綿密な研究が発表されています。
主な天然温室効果ガスを重要度の高い順に挙げると、水蒸気、水素、水素、水蒸気2 O、二酸化炭素CO2、オゾンO3、メタンCH4および亜酸化窒素N2 O。これらのうち最も少ない濃度、NCO₂の濃度は約400ppb（体積比）です。 [ 9 ]温室効果に寄与する他のガスはpptレベルで存在します。これらには、クロロフルオロカーボン（CFC）、ハロン、ハイドロフルオロカーボン（HFCおよびHCFC）が含まれます。後述するように、これらのガスが温室効果ガスとして非常に効果的な主な理由は、大気の赤外線窓に強い振動バンドを持つためです。CO₂による赤外線吸収14.7μmの2は、 Hの回転遷移による吸収とともに、赤外線大気窓の長波長限界を設定する。2 O は、わずかに長い波長で吸収されます。大気の赤外線ウィンドウの短波長境界は、水蒸気の最低周波数振動バンドの吸収によって決まります。ウィンドウの中央には 9.6μmに強いオゾンバンドがあり、これがオゾンが強力な温室効果ガスとして作用する理由です。水蒸気は、吸収線の衝突による広がりにより連続吸収を持ち、ウィンドウ全体に広がっています。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 10 ]局所的に非常に高い湿度は、赤外線振動ウィンドウを完全に遮断する可能性があります。
アトラス山脈上空では、干渉計で記録された外向き長波放射のスペクトル[ 11 ]は、約320Kの温度で地表面から発生し大気の窓を通過した放射と、主に約260Kの温度で対流圏から発生した非窓放射を示している。
コートジボワール上空では、干渉計で記録された外向き長波放射のスペクトル[ 11 ]は、約265 Kの温度で雲頂から発生し大気の窓を通過した放射と、主に約240 Kの温度で対流圏から発生した非窓放射を示しています。これは、ほとんど吸収されない波長連続体（8～14 μm）では、地球表面から乾燥した大気へ、また雲頂から放出される放射は、ほとんど吸収されずに大気を通過し、直接宇宙に放出されることを意味します。また、約16～28 μmの遠赤外線スペクトル線では、部分的な窓透過があります。雲は赤外線放射の優れた放射体です。雲頂からの窓放射は、気温が低い高度で発生しますが、その高度から見ると、上空の空気の水蒸気量は陸海面の空気の水蒸気量よりもはるかに少なくなります。さらに、[ 10 ]水蒸気連続体の吸収率は、分子ごとに圧力の低下とともに減少します。したがって、雲の上にある水蒸気は、濃度が低いだけでなく、低い高度の水蒸気よりも吸収率も低くなります。その結果、雲頂高度から見た有効窓はより開いており、結果として雲頂は実質的に窓放射の強力な発生源となります。つまり、実際には雲は窓をわずかにしか遮りません（これについては、Ahrens (2009) が43ページで提案した別の見解を参照してください[ 12 ]）。
赤外線を透過する大気窓がなければ、地球は生命を維持できないほど高温になり、太陽系初期の金星のように水を失ってしまう可能性もある。したがって、大気窓の存在は、地球が居住可能な惑星であり続けるために極めて重要である。
地球温暖化対策として提案されているパッシブ昼間放射冷却（PDRC）表面は、赤外線ウィンドウを利用して熱を宇宙空間に送り返し、気候変動による気温上昇を逆転させることを目的としている。[ 13 ] [ 14 ]
近年、フッ素と炭素、硫黄、または窒素の結合を含む非常に反応性の低いガスの開発により、赤外線大気窓の存在が脅かされるようになった。これらの化合物の影響は、ローランドとモリーナによるクロロフルオロカーボンが成層圏オゾンを破壊する能力に関するはるかに有名な論文の1年後の1975年に、インド系アメリカ人の大気科学者ヴェーラバドラ・ラマナサンによって初めて発見された[ 15 ]。
フッ素と他の軽非金属との結合の「伸縮振動数」は、大気窓での強い吸収が常にそのような結合を含む化合物の特徴となるようなものである[ 16 ]。ただし、炭素、窒素、硫黄以外の非金属のフッ化物は加水分解により短命である。この吸収は、フッ素原子の極めて高い電気陰性度によりこれらの結合が非常に極性であるため強化される。塩素[ 16 ]および臭素[ 17 ]との結合も大気窓で吸収するが、その強さははるかに弱い。
さらに、これらの化合物は反応性が低いため、多くの産業用途で非常に価値が高く、地球の下層大気の自然循環では除去されない。蛍石の放射性酸化とそれに続く硫酸塩または炭酸塩鉱物との反応によって生成される極めて小さな天然源は、脱ガスによって大気中のパーフルオロカーボン濃度を約40 ppt、六フッ化硫黄濃度を0.01 pptにまで低下させるが[ 18 ]、唯一の自然上限は中間圏および上部成層圏における光分解によるものである[ 19 ] 。パーフルオロカーボン（CF）は、4、C2 F6、C3 F8）、麻酔薬、冷媒、ポリマーの商業生産に由来する[ 20 ]は、2600年から5000年の間大気中に留まる可能性がある。 [ 21 ]
これは、このような化合物が地球温暖化に非常に大きな影響を与える可能性があることを意味します。例えば、六フッ化硫黄1キログラムは、100年間で二酸化炭素26.7トン、500年間で37.6トンと同等の温暖化を引き起こします。[ 22 ]パーフルオロカーボン類もこの点では同様であり、四塩化炭素（CCl4）も同様です。4 ) は二酸化炭素と比較して地球温暖化係数が 2310 である。 [ 22 ]寿命が非常に短いハロゲン化合物でも、地球温暖化係数はかなり高い場合がある。例えば、寿命が 0.5 年のクロロホルムハロタンは、100 年間で GWP が 47 であり、 [ 22 ]寿命が 2.9 年のハロン 1202は、100 年間の地球温暖化係数が二酸化炭素の 231 倍である。 [ 23 ]これらの化合物は依然として大きな問題であり、代替品を見つけるための取り組みが続けられている。
{{cite web}}: CS1 maint: タイトルとしてアーカイブされたコピー (リンク) Simpson, GC (1928). "Further Studies in Terrestrial Radiation". Memoirs of the Royal Meteorological Society . 3 (21): 1– 26.