外向き長波放射

気候科学において、長波放射（LWR）とは、地球の表面、大気、雲から放出される電磁熱放射のことである。これは地表放射とも呼ばれる。この放射はスペクトルの赤外線領域に属するが、太陽光に含まれる短波（SW）近赤外線放射とは異なる。 ^{[ 1 ]： 2251}

外向き長波放射（OLR）は、地球大気圏上層から宇宙空間に放出される長波放射です。^{[ 1 ]： 2241}また、放出される地球放射とも呼ばれます。外向き長波放射は、惑星の冷却において重要な役割を果たします。

長波放射は一般的に3～100マイクロメートル（μm）の波長範囲に及ぶ。 太陽光と長波放射を区別するために、4μmのカットオフ値が用いられることがある。太陽光のうち4μmを超える波長を持つものは1%未満である。放出される長波放射の99%以上は4μmから100μm の波長範囲にある。^{[ 2 ]}  

外向き長波放射によって運ばれるエネルギーの流れは、通常、平方メートルあたりのワット数 (W⋅m ⁻² ) の単位で測定されます。地球全体のエネルギーの流れの場合、W/m ²の値は、地球の表面全体にわたる総エネルギーの流れ (ワット単位で測定) を地球の表面積5.1 × 10 ¹⁴ m ² (5.1 × 10 ⁸ km ² ; 2.0 × 10 ⁸ mi ² )で割ることによって得られます。^{[ 3 ]}   

地球が宇宙にエネルギーを失う唯一の方法は、外向き長波放射を放出することであり、つまり、地球が自らを冷却する唯一の方法である。^{[ 4 ]}吸収された太陽光からの放射加熱と、OLRによる宇宙への放射冷却が、大気力学を駆動する熱機関の動力源となっている。^{[ 5 ]}

OLR（エネルギー損失）と入射太陽短波放射（エネルギー獲得）のバランスによって、地球が地球温暖化または寒冷化しているかが決まります（地球のエネルギー収支を参照）。^{[ 6 ]}

地球のエネルギー収支において、外向き長波放射（OLR）は重要な要素である 。^{[ 9 ]}

エネルギー保存の法則によれば、エネルギーは出現も消滅もしない。したがって、システムに入ってきて出ていかないエネルギーは、システム内に保持されなければならない。つまり、地球上に保持されるエネルギー量（地球の気候システム）は、次の式で表される。

[地球のエネルギーの変化] = [地球に流入するエネルギー] − [地球から流出するエネルギー]。

エネルギーは吸収された太陽放射（ASR）の形で地球に届き、放出される長波放射（OLR）の形で地球から出ていく。したがって、地球の気候システムにおけるエネルギーの変化率は、地球のエネルギー不均衡（EEI）によって表される。

${\displaystyle \mathrm {EEI} =\mathrm {ASR} -\mathrm {OLR} }$。

エネルギーの流入量が流出量よりも多い場合（つまり、ASR > OLR で EEI が正の場合）、地球の気候におけるエネルギー量は増加します。温度は物質中の熱エネルギー量の尺度です。したがって、このような状況下では、温度は全体的に上昇する傾向があります（ただし、エネルギーの分布が変化すると、一部の場所では温度が低下する可能性があります）。温度が上昇すると、放出される熱放射量も増加し、結果として外向き長波放射（OLR）が増加し、エネルギー不均衡（EEI）が小さくなります。^{[ 10 ]}

同様に、エネルギーの流入率が流出率よりも低い場合（つまり、ASR < OLR で EEI が負の場合）、地球の気候におけるエネルギー量は減少し、気温は全体的に低下する傾向があります。気温が低下すると、OLR も低下し、不均衡はゼロに近づきます。^{[ 10 ]}

このようにして、惑星はエネルギーの不均衡を小さく保つために、常に自然に温度を調整します。吸収される太陽放射が放出されるOLRよりも多い場合、惑星は温暖化します。吸収される太陽放射よりOLRが多い場合、惑星は冷却されます。どちらの場合も、温度変化はエネルギーの不均衡をゼロに近づけるように作用します。エネルギーの不均衡がゼロのとき、惑星は放射平衡状態にあると言われます。惑星は自然にほぼ放射平衡状態になる傾向があります。^{[ 10 ]}

近年の数十年間で、地球に流入するエネルギーは流出するエネルギーよりも多く、地球温暖化に対応していることが観測されている。エネルギーの不均衡は拡大している。^{[ 7 ] [ 8 ]}海洋が温暖化し、地球の温度がエネルギーの不均衡を補うのに十分なほど変化するには、数十年から数世紀かかる可能性がある。^{[ 11 ]}

ほぼすべての物質は、その絶対温度の4乗に比例して熱放射を放出する。

特に、放出されるエネルギーの流れは、${\displaystyle M}$（W/m ^{2で測定）は、非}黒体物質に対するステファン・ボルツマンの法則によって与えられます。^{[ 12 ]}

${\displaystyle M=\epsilon \,\sigma \,T^{4}}$

どこ${\displaystyle T}$は絶対温度です。${\displaystyle \sigma }$はステファン・ボルツマン定数であり、${\displaystyle \epsilon }$は放射率です。放射率は0から1までの値で、完全な黒体が放出する放射量と比較して、どれだけ放射量が少ないかを示します。

大気は太陽放射に対しては比較的透明ですが、長波放射に対してはほぼ不透明です。^{[ 18 ]}大気は通常、地表から放出される長波放射の大部分を吸収します。^{[ 19 ]}長波放射の吸収により、その放射が宇宙に到達するのを防ぎます。

大気が地表放射を吸収する波長では、吸収された放射の一部は、より高い高度の大気から放出されるより少ない量の熱放射によって置き換えられます。^{[ 17 ]}

吸収されると、この放射線によって伝達されたエネルギーは、それを吸収した物質に伝達される。^{[ 18 ]}しかし、全体として、対流圏の温室効果ガスは吸収するよりも多くの熱放射を放出するため、長波放射熱伝達は空気に対して正味の冷却効果をもたらす。^{[ 20 ] [ 21 ]： 139}

夜間および極地では、正味の全波放射は長波放射が支配的である。^{[ 25 ]}夜間には太陽放射の吸収はないが、主に日中に吸収された太陽エネルギーの結果として、地球放射は放出され続ける。

地表面から放出される長波放射に対する、外向き長波放射（OLR）の減少が、温室効果の核心である。^{[ 27 ]}

より具体的には、温室効果は、地表から放出される長波放射のうち宇宙に到達しない量として定量的に定義できます。2015年現在、地球では地表から約398 W/m ^{2の長波放射が放出され、宇宙に到達する量であるOLRは239 W/m 2}でした。したがって、温室効果は398−239 = 159 W/m ²、つまり地表からの放出の159/398 = 40%が宇宙に到達しないこと^になります。^{[ 28 ] : 968,934 [ 29 ] [ 30 ]}

大気圏上層部からの放射長波と地表への放射長波の測定は、地球の気候システムにどれだけのエネルギーが保持されているかを理解するために重要です。たとえば、熱放射が地表をどのように冷却および加熱するか、そしてこのエネルギーがどのように分配されて雲の発達に影響を与えるかなどです。地表からのこの放射束を観測することは、局所的および地球規模の両方で地表温度を評価する実用的な方法も提供します。^{[ 33 ]}このエネルギー分布が大気熱力学を駆動します。

多くの用途において、長波放射量の計算が求められます。外向き長波放射による局所的な放射冷却、放射冷却の抑制（下向き長波放射が上向き長波放射によるエネルギー伝達を相殺することによる）、および入射太陽放射による放射加熱は、大気のさまざまな部分の温度と力学を左右します。

観測機器によって特定の方向から測定された放射輝度を用いることで、大気の特性（温度や湿度など）を逆算的に推定することができる。これらの量を計算するには、大気中の放射を記述する放射伝達方程式を解く必要がある。通常、この解法は、特定の問題に合わせて調整された大気放射伝達コードを用いて数値的に求められる。

もう1つの一般的なアプローチは、地表面温度と放射率を使用して値を推定し、衛星の大気上端放射輝度または輝度温度と比較することです。^{[ 25 ]}

さまざまな大気条件下で宇宙に到達すると予測される放出長波放射のスペクトルを見ることができるオンラインのインタラクティブツールがあります。^{[ 41 ]}

• 有効温度
• 衛星による温度測定
• 短波放射

• NOAA気候診断センター
• NASA地球観測所からの熱放射
• 衛星データ処理・配信局、放射線予算（ Wayback Machineアーカイブ、2008年5月5日）
• 気象庁気象衛星センター（Wayback Machineアーカイブ、2007年9月27日保存）
• 惑星エネルギーバランス、自然地理学