地球温暖化実験を解かりやすく図解する
１ 空気を温める物質は２つあるため、その昇温メカニズムを解りやすく図解することは、大変難しい事柄でした。
何とか、「二酸化炭素濃度別赤外線反応実験ー地球温暖化実験」の結果および、その二酸化炭素の濃度差による変化を多くの人々にも解りやすく図解できないものかなと、ずっと考えてきましたが、良い方法をなかなか見い出せないでいました。
ところが前回のブログで、空気１立方ｍ中に含まれる二酸化炭素０．８ｇを基準値にして、同じ重量の物質を一つの「〇」で図解すれば良いことを発見しました。
同じ重さの水蒸気も一つの「〇」表現します。
「〇」の数の差が空気中に含まれる量の差になります。
その場合、水蒸気は同じｇ数で比較すると、二酸化炭素の数倍の昇温効果力あるため、水蒸気を２．５ｍｍの「〇」で、二酸化炭素を１．５ｍｍの「〇」で表示すれば、ほぼ正確に両物質の昇温効果力を表現できることがわかりました。
そうやって作り上げたのが以下の図解図になります。
こうやって作成してみると、いろいろなことがわかります。
① ＡとＢはほとんど違いはありません。実験用高精度温度計を用いないと、その昇温差を計測することは不可能です。
② ＣとＤは確かに地表１ｍ以内の空気はより昇温します。しかし中空（１．５ｍ～）では地表付近で早々に赤外線のエネルギーが吸収されてしまうために、逆に本来昇温すべき温度より低下するという現象が起きてしまいます。
③ Ｂはともかくも、自然界がＣ、Ｄの状態になることは有り得ません。
水蒸気であれば、湿度差５０％など日常的に起きています。
しかし二酸化炭素の大気中の含有率は、年単位でゆっくりとしか変動しません。
２ 物理に詳しい方からこの図はおかしいとお叱りを受けそうです。
それは分子の原子量を考えた場合です。
原子量で考えると
水素１、炭素１２、窒素１４、酸素１６
であるので、
水蒸気分子の原子量は１８、二酸化炭素分子の原子量は４４になるので、二酸化炭素分子の方が、はるかに質量があるからです。
しかしそれでは赤外線の照射を受けた時の昇温力が全く反映されません。
この図はあくまで一つの「〇」は空気１立方ｍ中のｇ数が０．８ｇ（ＣＯ２ ４００ｐｐｍの場合の１立方ｍ中の量）であることの表示です。
そのうえで、そのｇ数当たりの赤外線による昇温力に応じて「〇」の大きさを調整しています。
このことをご理解のうえ、図解図を見ていただきたいと思います。
なお、大気の主成分である
窒素分子は原子量 ２８
酸素分子は原子量 ３２
になりますが、窒素分子も酸素分子も赤外線に対しては透明です。
つまり、赤外線の照射を受けても全く反応しません。
さらに窒素分子・酸素分子は太陽光に対しても透明です。
ではどうして晴れ上がると暖かくなるのでしょう。
それは地表面が太陽光の照射を受けて昇温すると、その地表面から大量の赤外線が発生するからです。
その赤外線は空気中に含まれる水蒸気や二酸化炭素によって、大きくそのエネルギーを吸収されてしまいます。
それは、水蒸気分子や二酸化炭素分子が３個の原子で成り立っているからです。
その形は「やじろべえ」みたいな形をしていて、その「やじろべえ」の腕の部分が赤外線を受光すると振動を始めます。
すなわち赤外線のエネルギーを吸収して昇温します。
その水蒸気分子と二酸化炭素分子のまわりには、大気の主成分である酸素分子と窒素分子が大量に存在し、猛烈な頻度で衝突を繰り返しています。
こうして水蒸気と二酸化炭素が吸収した赤外線のエネルギーは窒素分子や酸素分子に受け渡され、空気全体が温まります。
温まった空気は対流によって上空に運ばれ、大気全体が温まります。
本当に自然界は不思議に満ちていますね。
３ 二酸化炭素濃度別赤外線反応実験（地球温暖化実験）というものは、実は、水蒸気・二酸化炭素混合含有気体の赤外線による反応実験です。
地球温暖化実験においては、できるだけ水蒸気による影響を取り除くために、実験用ボックスの湿度は３０％以下になるよう除湿剤で調整しています。
しかしいくら頑張って除湿しても、湿度１５％位が限界です。
これ以上湿度を下げるためには、実験用ボックスを完全密閉にしたうえで、強力な化学物質を用いるか、強力な機械力を用いるかしか方法はありません。
そういった仮想空間的なものを構築するのは、コストもかかるし、自然界の状態からかえってかけ離れてしまうという結果をもたらします。
そのため、この「地球温暖化実験」では
実験用ボックス内の湿度が３０％以下で、両ボックスの湿度差があまりなければOKということで行ってきました。
したがって、この「地球温暖化実験」を図解するために、気温１８℃、湿度３０％という基本条件を設定しました。
気温１８℃、湿度３０％のときの水蒸気量をまず求めます。
気温１８℃の飽和水蒸気量は１５．４ｇです。
これに湿度３０％ですから、０．３をかけると４．６２ｇです。
図解図の二酸化炭素濃度との対比は以下のようになります。
水蒸気 二酸化炭素
気温・湿度 量 〇数 濃度 量 〇数
１８℃・３０％ ４．６２ｇ ６ ４００ｐｐｍ ０．８ｇ １
〃 〃 〃 ８００ｐｐｍ １．６ｇ ２
〃 〃 〃 ４，０００ｐｐｍ ８．０ｇ １０
〃 〃 〃 ８，０００ｐｐｍ１６．０ｇ ２０
これで空気中に含まれる両物質の量をほぼ正確に表現することができます。
４ あとは両物質の昇温効果力を図解図の中にどう反映するかです。
同じ重量であるならば、水蒸気が二酸化炭素の数倍の昇温効果力をもっていることはすでにわかっています。
具体的な数値を求めるために、放射スペクトル表に１５℃位の実効範囲を設定して、その実効面積からその比率を求めたことがあります。
その結果は、水蒸気の昇温効果力はおなじｇ数で比較すると約３．３倍であるという数値を得ました。
また「地球温暖化実験装置」を使って「水蒸気実験」を行ったこともあります。
この時の室温は１７℃です。
一方の実験用ボックスを湿度２０％にして、もう一方の実験用ボックスを小型加湿器を使って湿度７０％以上にして、低温ヒーターで加温してその昇温差を見るというものですが、この時は水蒸気２．６ｇで二酸化炭素１４ｇと同等の昇温効果力を計測しました。
その差は５．３８倍です。
いろいろなデータを勘案してもはっきりとした数値は求めにくく、「数倍程度」という表現にとどめておくしかなさそうです。
そのため図解図においても
「〇」の直径 面積的には 体積的には
水蒸気 ２．５ｍｍ ６．２５ｍｍ² １５．６２５ｍｍ³
二酸化炭素 １．５ｍｍ ２．２５ｍｍ² ３，７５ｍｍ³
という大きさで表現すれば、ほぼその昇温効果力に合った図解図を作成できそうです。
そういうことで作り上げたのが今回の図解図ということになります。
中央にマッターホルンのように描かれているのが、高度別赤外線吸収グラフで、二酸化炭素の含有量が変化するにしたがって、どのように赤外線の吸収量が地表高度によって変化していくのかを示したものです。
もちろんそのグラフには
「二酸化炭素の濃度が高くなると、高さ１ｍ以内はより昇温するが、中空（１．５ｍ～）では地表付近で早々に赤外線のエネルギーが吸収されるために、逆に本来上がるべき温度よりほんの少しではあるが低下してしまう。」
という実証実験から得られた知見も織り込んでいます。
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