暴走する温室効果

暴走温室効果は、惑星の大気に含まれる温室効果ガスの量によって熱放射が惑星から放出されなくなり、惑星が冷却されず表面に液体の水が存在できなくなる場合に発生します。暴走した温室効果は、惑星から放射される長波放射の限界によって定義できます。この限界は、表面温度の上昇によって水が大気中に蒸発し、その光学的厚さが増加するため、漸近的に到達します。^[1]この正のフィードバックは、惑星が長波放射によって冷却できず（シュテファン・ボルツマンの法則による）、水蒸気の 吸収帯^[2]の外側に放射できるようになるまで加熱し続けることを意味します。

暴走温室効果は、水蒸気を凝縮物質として定式化されることが多い。水蒸気は成層圏に達し、流体力学的に宇宙に逃げ出し、その結果、惑星は乾燥する。^{[3]これはおそらく}金星の初期の歴史で起こったことである。

2012年の研究では、ほぼすべての証拠から、大気中に温室効果ガスを追加することで地球上で完全な暴走温室効果を引き起こすことは不可能であることが示されていることが判明しました。^[4]しかし、著者らは「高温多湿の大気の力学、熱力学、放射伝達、雲の物理に対する理解は不十分」であり、「したがって、人間の行動が完全な暴走ではないとしても、少なくとも現在の気候状態よりもはるかに温暖な気候状態への移行を引き起こす可能性を完全に排除することはできない」と警告しています。^[4]

金星のような暴走温室効果は、人間によって引き起こされる可能性は事実上ないと思われる。^[5] 2013年の記事では、暴走温室効果は「理論的には温室効果ガスの強制力の増加によって引き起こされる可能性がある」が、「人為的な排出はおそらく不十分である」と結論付けている。^[6]地球上で金星のような条件を実現するには、太陽が数十パーセント明るくなるまで発生する可能性の低い長期的強制力が必要であるが、それには数十億年かかる。^[7]地球は「太陽の光度が増加するにつれて、約20億年後に」暴走温室効果を経験すると予想されている。^[4]

この用語はカリフォルニア工科大学の科学者アンドリュー・インガソルが金星の大気のモデルを説明した論文で作ったものですが、 ^[9]地球から放射される赤外線放射の限界という最初のアイデアは、1927年にジョージ・シンプソンによって発表されました。 ^{[10]後に暴走温室効果と呼ばれるようになったこの現象に関連する物理学は、}名古屋大学の駒林誠によって研究されました。^[11]駒林とインガソルは、成層圏が水蒸気で飽和していると仮定して、暴走温室効果状態を定義する放射される赤外線放射の限界を独立して計算しました。この限界は現在、彼らの貢献を称えて駒林・インガソル限界と呼ばれています。 ^[3]

暴走温室効果は、温室効果ガスが正のフィードバックサイクルを通じて大気中に蓄積し、放射熱が宇宙に逃げるのを実質的に遮断し、地球の温度を大幅に上昇させる場合に発生します。^[12]

暴走温室効果は、惑星の表面温度が受ける恒星の光の量によってどのように変化するかという観点から定式化されることが多い。^{[13]惑星が}放射平衡にあると仮定すると、暴走温室効果状態は、水が液体の形で存在できない平衡状態として計算される。^[3]その後、水蒸気は流体力学的逃避によって宇宙に失われる。^[4]放射平衡では、惑星から放射される長波放射（OLR）は、入ってくる恒星の放射量とバランスをとらなければならない。

シュテファン・ボルツマンの法則は、惑星の気候システムを安定させる負のフィードバックの一例です。地球がより多くの太陽光を浴びると、一時的な不均衡（エネルギーの流入が流出を上回る）が生じ、温暖化につながります。しかし、シュテファン・ボルツマンの応答により、このより高温の惑星はより多くのエネルギーを放出することになるため、最終的には新しい放射バランスが達成され、温度は新しい高い値に維持されます。^[2]気候変動の正のフィードバックは気候システムの変化を増幅し、気候を不安定にする効果につながる可能性があります。^[2]温室効果ガスによる気温上昇により水蒸気（それ自体が温室効果ガス）が増加し、さらに温暖化が進むのは、地球上では正のフィードバックですが、暴走効果ではありません。^[13]正のフィードバック効果は一般的ですが（例：氷アルベドフィードバック）、暴走効果は必ずしもその存在から生じるわけではありません。水はプロセスで大きな役割を果たしますが、暴走温室効果は水蒸気フィードバックの結果ではありません。^[4]

暴走温室効果は、惑星から放射される長波放射の限界として考えることができ、この限界を超えると、水が液体の形で存在できない状態になります（したがって、海はすべて「蒸発」します）。^[3]惑星から放射される長波放射は、この蒸発した水によって制限されます。蒸発した水は効果的な温室効果ガスであり、大気中に蓄積されると追加の赤外線放射をブロックします。^[14]放射平衡を想定すると、暴走温室効果による長波放射の限界は、暴走温室効果を引き起こすために惑星が受け取る恒星フラックスの増加の限界に対応します。^[15]暴走温室効果の発現に対応する、惑星から放射される長波放射の2つの限界が計算されています。駒林-インガソル限界^{[9] [11]}とシンプソン-中島限界です。^{[16] [3] [13]}これらの値では暴走温室効果がシュテファン・ボルツマンフィードバックを克服するため、惑星の表面温度の上昇は放射される長波放射を増加させません。^[2]

駒林–インガソル限界は解析的に導かれた最初の限界であり、放射平衡にある灰色成層圏のみを考慮しています。^{[9] [11]}灰色成層圏（または大気）は、ガスによる吸収の周波数依存性を考慮しない放射伝達のモデル化アプローチです。灰色成層圏または大気の場合、エディントン近似を使用して放射フラックスを計算できます。このアプローチは、対流圏界面からの長波放射、と、対流圏界面の水蒸気の光学的厚さ、 のバランスに焦点を当てています。これは、飽和蒸気圧に従って対流圏界面の温度と圧力によって決まります。このバランスは次の式で表されます^[3]。最初の式は対流圏界面での放射平衡の要件を表し、2 番目の式は対流圏界面に存在する水蒸気の量を表します。^[3]放射される長波を自由パラメータとしてとらえると、これらの式は放射される長波の単一の値に対してのみ交差し、この値は駒林-インガソル限界としてとられます。^[3]その値では、駒林-インガソルOLR値を維持するために必要な対流圏温度が、対流圏界面を冷却するために必要なOLRをブロックする水蒸気光学的厚さをもたらすため、ステファン-ボルツマンフィードバックは機能しなくなります。^[2]${\textstyle F_{\text{IRtop}}^{\uparrow }}$${\textstyle \tau _{\text{tp}}}$$${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {1}{2}}F_{\text{IRtop}}^{\uparrow }\left({\frac {3}{2}}\tau _{\text{tp}}+1\right)&=\sigma T_{\text{tp}}^{4}\\\tau _{\text{tp}}&=\kappa _{v}p^{*}(T_{\text{tp}}){\frac {1}{g}}{\frac {m_{v}}{\bar {m}}}\end{aligned}}}$$

シンプソン・中島限界は駒林・インガソル限界よりも低く、そのため惑星が暴走温室状態に入る値としてはより現実的である。^[4]例えば、駒林・インガソル限界の 385 W/m ²を決定するために使用されるパラメータを考えると、対応するシンプソン・中島限界は約 293 W/m ²に過ぎない。^{[3] [13]}シンプソン・中島限界は、駒林・インガソル限界の導出に基づいており、対流圏の表面温度と表面圧力によって対流圏界面での光学的厚さと外向きの長波放射が決定されると仮定している。 [ ^{3] [13]}

シンプソン・ナカジマ限界（放射平衡の灰色成層圏と対流する対流圏）を導き出すために使用されたモデルは、高度の関数として水濃度を決定できるため、成層圏で高い水混合比をもたらす表面温度（または逆に恒星フラックスの量）を決定するためにも使用できます。^[13]この長波放射の臨界値はシンプソン・ナカジマ限界より低いですが、それでも惑星の気候に劇的な影響を及ぼします。成層圏での高い水混合比は、コールドトラップの効果を克服し、「湿潤」成層圏をもたらし、成層圏で水の光分解を引き起こし、オゾン層を破壊し、最終的には流体力学的逃避による水の劇的な損失につながります。^{[2] [4]}この気候状態は湿潤温室効果と呼ばれており、最終状態では惑星に水がなくなるが、この過程では惑星の表面に液体の水が存在する可能性がある。^[13]

ハビタブルゾーンの概念は、惑星科学者や宇宙生物学者が、惑星（または衛星）が液体の水を維持できる恒星の周りの軌道領域を定義するために使用してきました。^[17]この定義では、ハビタブルゾーンの内側の端（つまり、惑星が液体の水を維持できなくなるまで恒星に最も近づくことができる点）は、暴走温室効果が発生する放射長波放射の限界（たとえば、シンプソン・中島限界）によって決定されます。これは、惑星のホスト星からの距離によって、惑星が受け取る恒星フラックスの量が決まり、それが今度は惑星が宇宙に放射する放射長波放射の量を決定するためです。^[2]内側のハビタブルゾーンは通常、シンプソン・中島限界を使用して決定されますが、湿潤温室効果限界を基準にして決定することもできますが、^[15]両者の差は小さいことがよくあります。^[18]

ハビタブルゾーンの内縁の計算は、シンプソン・ナカジマ限界または湿潤温室限界を計算するために使用されたモデルに大きく依存する。^[2]これらの限界を計算するために使用される気候モデルは、時間の経過とともに進化しており、いくつかのモデルは単純な1次元の灰色の大気を想定し、^[3]水と二酸化炭素の吸収帯をモデル化するために完全な放射伝達ソリューションを使用している。 ^[13]放射伝達を使用したこれらの初期のモデルは、水の吸収係数をHITRANデータベースから導出したが、新しいモデル^[19]はより最新で正確なHITEMPデータベースを使用しており、これにより熱放射限界の計算値が異なっている。より正確な計算は、惑星の自転や局所的な水の混合比、雲のフィードバックなどの効果を考慮した3次元気候モデル^{[20]を使用して行われている。 [21]}熱放射限界の計算に対する雲の影響は、まだ議論の余地がある（具体的には、水雲が正のフィードバック効果を示すのか、負のフィードバック効果を示すのか）。^[2]

二酸化炭素と水蒸気を伴う暴走温室効果は、金星で発生した可能性が高い。^[22]このシナリオでは、放射熱がシンプソン・中島限界を下回っていたが湿潤温室限界を超えていた場合、初期の金星には全球的な海があった可能性がある。^[2]初期の太陽の明るさが増すにつれて、大気中の水蒸気量が増加し、気温が上昇して結果として海の蒸発が増加し、最終的に海が蒸発する状況につながった。

このシナリオは、今日の金星の大気中に水蒸気がほとんど存在しない理由を説明するのに役立ちます。金星が最初に水で形成された場合、暴走温室効果により金星の成層圏が水分補給され、^[13]水は宇宙に逃げたはずです。^[9]このシナリオの証拠の1つは、金星の大気中の重水素と水素の比率が非常に高く、地球の約150倍であることから得られます。軽い水素は、より重い同位体である重水素よりも大気から逃げやすいためです。^{[23] [24]}

金星は太陽によって十分に加熱されているため、水蒸気は大気圏のかなり高いところまで上昇し、紫外線によって水素と酸素に分解される。水素は大気圏から逃げ出し、酸素は惑星の表面で再結合するか鉄と結合する。 ^{[2]暴走温室効果による}金星の水不足は、金星がプレートテクトニクスと一致する表面特徴を示さない理由を説明すると考えられており、^{[25]つまり、金星は}停滞した蓋付き惑星であると考えられる。^[26]

現在の金星の大気中の主な温室効果ガスである二酸化炭素は、地球に比べて炭素循環が弱いために高濃度になっています。地球では、火山から放出された二酸化炭素は、地質学的時間スケールでプレートテクトニクスによって炭酸塩-ケイ酸塩サイクルを通じて効率的に地球に沈み込みます。^{[27]このサイクルが機能するには}降水が必要です。^[28]

暴走温室効果限界に対する大気中の二酸化炭素濃度の影響に関する初期の調査では、地球を暴走温室効果状態にするには、桁違いに大量の二酸化炭素が必要であることがわかった。^[13]これは、二酸化炭素が水ほど長波放射を遮断する効果がないためである。^[9]暴走温室効果の現在のモデルでは、二酸化炭素（特に人為起源の二酸化炭素）は、地球がシンプソン・中島限界に達するために必要な断熱材を提供できないと思われる。^{[13] [4] [5] [7]}

しかし、二酸化炭素が地表温度を湿潤温室限界まで押し上げることができるかどうかについては議論が続いている。^{[29] [30]}気候科学者のジョン・ホートンは2005年に「[金星の]暴走温室状態が地球上で発生する可能性はない」と書いた。^[31]しかし、気候学者のジェームズ・ハンセンは『Storms of My Grandchildren』（2009年）で、石炭の燃焼とオイルサンドの採掘は地球上で暴走温室効果をもたらすと述べた。^[32]気候モデルにおける水蒸気の影響に関する2013年の再評価では、ジェームズ・ハンセンの結果には、地球の地殻にあるすべての石油、石炭、天然ガスを燃焼させた場合に放出されるCO2の10倍の量が必要であることが示された_。 [ ^29]

居住可能領域の内側の端を計算する際の不確実性と同様に、CO2が湿潤温室効果を引き起こすかどうかの不確実性は、_モデルの選択の違いとそこに含まれる不確実性によるものです。^{[4] [2]}放射伝達計算でHITRANからより新しいHITEMP吸収線リストを使用するように切り替えたところ、以前の暴走温室効果の限界は高すぎたことがわかりましたが、必要な二酸化炭素の量を考えると、人為的な湿潤温室状態は起こりにくいでしょう。^[33]完全な3次元モデルでは、表面温度の湿潤温室効果の限界は1次元モデルよりも高く、したがって湿潤温室効果を開始するには1次元モデルよりも多くの二酸化炭素が必要であることが示されています。^[20]

その他の複雑な問題としては、ある湿度で大気が飽和しているか飽和していないか、^{[20 ] 大気中の}_CO2濃度が高いとレイリー散乱により地球が予想よりも暑くならないこと、^[2]雲のフィードバックが気候システムを安定化させるか不安定化させるかなどがある。^{[21] [20]}

地球の気候史に関する研究では、大規模な気候変動を説明する際に「暴走温室効果」という用語がよく使われてきたが、これは地球から放射される長波放射に依存しないため、適切な説明ではない。地球は多様な気候の極端な変化を経験してきたが、これらは気候進化の最終段階ではなく、今日の地球とは異なる気候の均衡を表している。^{[2]たとえば、温室効果ガスの大量放出は、}ペルム紀-三畳紀絶滅イベント^{[34] [35]}または暁新世-始新世温暖極大期と同時に発生した可能性があるという仮説が立てられている。さらに、最近の5億年間の80%の期間は、地球は温室効果により温室状態にあったと考えられており、当時は地球上に大陸氷河はなく、二酸化炭素やその他の温室効果ガス（水蒸気やメタンなど）のレベルが高く、海面水温（SST）は熱帯の40℃（104℉）から極地の16℃（65℉）の範囲でした。^[36]

科学者の多くは、太陽が年を重ねるにつれて徐々に明るくなるため、長期的には暴走温室効果は避けられず、地球上のすべての生命の終焉を意味すると考えています。今から約 10 億年後に太陽が 10% 明るくなると、地球の表面温度は 47 °C (117 °F) に達します (アルベドが十分に増加しない限り)。これにより、地球の温度が急激に上昇し、海が沸騰して、現在の金星のような温室惑星になります。

現在の損失率は、100万年あたり約1ミリメートルの海水です。^[37]これは、人為的な地球温暖化があっても、現在地球が恒久的に水を宇宙に失うことを防いでいる、対流圏の上層の冷たい層がコールドトラップとして機能しているためです（これは、気候変動が短期的には異常気象を悪化させるだけである理由でもあります。より暖かい大気はより多くの水分を保持できるためです。地球温暖化があっても、コールドトラップにより、現在の大気は依然として冷たすぎて水蒸気が宇宙に急速に失われることはありません）。これは、氷河や極地の氷が溶けているため現在上昇している海面など、海面の短期的な変化によって影を潜めています。しかし、太陽が暖かくなるにつれて、その率は徐々に加速し、おそらく1000年に1ミリメートルの速さで、最終的には大気が非常に高温になり、コールドトラップがさらに上方に押し上げられ、最終的に水が宇宙に失われるのを防ぐことができなくなります。^[37]

ウォードとブラウンリーは、将来の温暖化フィードバックには 2 つのバリエーションがあると予測しています。1 つは「湿潤温室」で、水蒸気が対流圏を支配し、成層圏に蓄積し始めます。もう 1 つは「暴走温室」で、水蒸気が大気の主要成分となり、地球が急速な温暖化に見舞われ、おそらく今から約 30 億年後には、表面温度が 900 °C (1,650 °F) を超え、表面全体が溶けてすべての生命が死滅する可能性があります。どちらの場合も、湿潤温室と暴走温室は、海洋の喪失により地球が主に砂漠の世界になると述べています。地球に残る唯一の水は、極地近くに点在するいくつかの蒸発池と、かつて海底だった場所の周りの巨大な塩原で、チリのアタカマ砂漠やデス バレーのバッドウォーター盆地とよく似ています。小さな貯水池により、生命は今後数十億年は生き残ることができるかもしれません。

太陽が明るくなると、気温の上昇に伴って炭素-ケイ酸塩サイクルの活動が活発になり、CO2レベルは低下するはずである。これにより、太陽の明るさの増加によって地球が受ける熱の一部が緩和されるだろう。_[ ^2]しかし、最終的には水が逃げ出すと、プレートテクトニクスが停止し、地殻活動の潤滑剤として水が必要になるため、炭素循環は停止するだろう。 ^[26]

火星は暴走温室効果の逆、暴走冷凍機効果を経験した可能性がある。この効果を通じて、暴走フィードバックプロセスが大気から多くの二酸化炭素と水蒸気を除去し、惑星を冷却した可能性がある。水は表面で凝縮し、二酸化炭素が溶解して鉱物と化学的に結合します。これにより温室効果が軽減され、温度が下がり、より多くの水が凝縮します。その結果、気温が低下し、水は地下の永久凍土として凍結し、薄い大気だけが残りました。^{[38] [39]}

• 暴走温室効果の一例である金星の大気
• 温室と氷室の地球