物理苦手なリケジョでも気象予報士試験に合格したい！#2 大気における放射-1

こんにちは、まさごんです。
気象予報士試験の合格を目指すべく、日々の勉強内容を記録しています。
基本的には前日夜にインプットした内容を、朝一番にnoteにまとめて復習する、というサイクルで学習を回しています。

勉強内容

今回は地球が太陽から受けるエネルギー、太陽放射について学習しました。
太陽放射とは、太陽の光のことです。日中晴れていると、まぶしい太陽の光が私たちを照らしますが、その時地球は一体どれくらいのエネルギーを受け取っているのでしょうか。

学習ポイント①太陽高度角と放射強度

地球は太陽からどれくらいのエネルギーを受け取っているのでしょうか。それを表したものを、「太陽定数」といいます。例えば、地球の大気のてっぺんに1m^2の大きさの板を置いたとします。この板に対して太陽の光が垂直に入ってきたとき、この板が太陽から受け取る1秒間あたりの放射エネルギー量のことを太陽定数といい、その値は1.37kW/m^2です。
また、ある平面の単位面積に、単位時間当たり入射する放射エネルギー量を放射強度( 記号: I ) といいます。この放射強度はエネルギー源からの距離 （記号: d ) の2乗に反比例して、距離とともに小さくなっています。式で表すと、 I d^2 = 一定となります。

地球が太陽から受け取るエネルギーは、大気上端では1.37kW/m^2でしたが地表面では異なります。その理由は、太陽光が地表面に届くまでに、大気に吸収されたり雲に反射されたりするからです。
地表面で受け取る太陽放射のエネルギー量は、太陽と地球との間にできる角度、「太陽高度角」で決まります。この高度角が直角に近い( 90°) ほど、太陽放射エネルギーを受け取る量は大きくなります。たとえば、赤道地方のほうが極地方よりも太陽光線が垂直に入射するため、太陽高度角が大きくなり、より多くのエネルギーを受け取ることになります。1年を通じて、赤道付近でほぼ一定して気温が高いのはこのためです。

学習ポイント②黒体

物体というのは、絶対零度(-273℃)でない限りは電磁波を放射しています。私たち人間も、目には見えませんが電磁波を放射しているのです。ここにある物体があるとして、その物体に電磁波が入ってきたとします。この時、その電磁波を100%吸収してしまう仮想的な物体のことを黒体といいます。
この黒体には様々な法則があり、その一つが「よく吸収する物体はよく放射する」というのがあります。これを「キルヒホッフの法則」といいます。ちなみに、太陽や地球はキルヒホッフの法則の法則が成り立ち、ほぼ黒体とみなしています。

もう一つの重要な法則は、「ステファン・ボルツマンの法則」です。どのような法則かというと、放射強度は黒体の絶対温度:T の4乗に比例する、という法則です。これを式にすると、I=σT^4 となります（σは定数）。この法則は、「黒体である物体の温度が高くなるほど、その放射強度は大きくなる」ということを表しているのです。太陽は地球の何万倍も温度が高いわけですから、その放射強度もものすごい大きいわけです。

気づいたこと

勉強しながら、この単元のボリュームの多さに息切れしてました。息切れしながら、面白い…でも法則覚えきれない..と涙目にもなっていました。ここに書ききれない法則もあるし、1単元を1000字程度にまとめるのは至難の業すぎて、この単元は2回に分けることにしました。(あと私の頭にも入らない)

今日も1日、ユーモアを忘れずに過ごします。
ありがとうございました。