惑星気候学
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惑星気候学 -- 簡単理論から大気大循環モデルまで -- PowerPoint PPT Presentation


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惑星気候学 -- 簡単理論から大気大循環モデルまで --. 石渡正樹(北大・理). はじめに. 気候いろいろ. 多様な気候 : 惑星 , 昔の地球 , 系外惑星 , … それらを大雑把で良いから同じ土俵で考えたい 地球の気候の安定性 : 「地球らしい気候が出現する条件は ? 」. 金星の図 : http://www.solarviews.com/browse/venus/venusmar.jpg 地球の図 : http://www.solarviews.com/raw/earth/earthx.jpg

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惑星気候学 -- 簡単理論から大気大循環モデルまで --

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Presentation Transcript


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惑星気候学-- 簡単理論から大気大循環モデルまで --

石渡正樹(北大・理)


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はじめに


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気候いろいろ

  • 多様な気候: 惑星, 昔の地球, 系外惑星, …

  • それらを大雑把で良いから同じ土俵で考えたい

  • 地球の気候の安定性 : 「地球らしい気候が出現する条件は?」

金星の図 : http://www.solarviews.com/browse/venus/venusmar.jpg

地球の図 : http://www.solarviews.com/raw/earth/earthx.jpg

火星の図 : http://www.solarviews.com/raw/mars/mars060.jpg


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地球的な気候が得られる条件は?

  • 「地球はどこまで地球か?」

  • 地球的な気候 = 海洋が存在し得る状況

  • 気候の太陽定数依存性

    • 暴走温室状態, 全球凍結状態, 解の多重性, 分岐現象・臨界値の存在

    • 地球らしくない気候を調べる

    • 安定性

  • こんなこと分かって役にたつのか?

    • 知らない世界を想像するための基礎資料


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気候状態の記述

  • いろんな複雑度のモデルが使われる

    • 鉛直1次元モデル

    • 南北1次元モデル

    • 南北-鉛直2次元モデル

    • 領域3次元モデル

    • 球面3次元モデル(大気大循環モデル:GCM)


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1次元モデルを用いた暴走温室状態の記述


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暴走温室状態の話

  • 暴走温室状態とは

    • 大気が射出できる以上の入射エネルギーフラックスが与えられた状態

  • 形成期の地球は暴走温室状態にあったかも

    • 地球型惑星大気の形成論

      • Matsui and Abe (1986)

      • Abe and Matsui (1988)

    • 微惑星の衝突

    • 水蒸気大気の形成


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地球の放射と太陽の放射

  • 地球の放射と太陽の放射をわけて考える

  • プランクの法則

    • 温度 T の黒体が射出する放射量は σ T^4

地学図表(浜島書店)


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平衡状態を決定する条件式

  • 入射する放射 = 射出する放射


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「0次元モデル」的考察

  • 1つの温度の値を決めることを考える

  • 代表的な温度の値を決める議論


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大気無しの場合 : 有効放射温度

  • 地表面の放射収支

    • アルベド(反射率) A :太陽放射が反射される割合.

小倉(1999)一般気象学


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大気 1 層モデル

  • 1 枚ガラスモデル(大気 1 層モデル)

    • 大気は太陽放射に対しては透明, 地球放射は全部吸収する

地表面と大気層の放射収支

TaとTgの解


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多層モデル

  • 同様にして, 各層の放射収支を考えると

小倉(1999)一般気象学


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灰色放射

  • ガラスの「厚さ」も考慮する

  • 平行平面、灰色放射の仮定


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鉛直1次元的な考察

  • 地球大気の温度鉛直構造

小倉(1999)一般気象学


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成層圏モデル

  • Komabayashi (1969), Ingersoll (1969)

    • 成層圏の下端で飽和

    • 成層圏では水蒸気のモル分率(比湿)が一定

    • 放射平衡した成層圏

    • 灰色放射

      • 吸収係数が波長によらない.

  • 解はどのように決まるか?

    • 成層圏界面の温度を決める

    • 圏界面で飽和の条件から水蒸気量が決まる

    • 成層圏内の水蒸気分布決まる

    • 放射平衡を仮定して温度分布を求める.


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成層圏モデルの結果

  • 成層圏を通過できる放射量には限界がある.


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鉛直 1 次元放射対流平衡モデル

  • Nakajima et al (1992)

    • ある 1 点, もしくは水平平均場の鉛直構造を考える

    • 大気成分 : 水と乾燥空気

    • 飽和した対流圏と放射平衡した成層圏

    • 灰色放射

      • 日射には透明

      • 赤外放射には灰色 ( κ=0.01 Kg/m^2)


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鉛直 1 次元モデルの計算手順

  • 表面温度を決める

  • 地表から湿潤断熱線を引く

  • 放射フラックスを計算し, だいたい放射平衡になるレベルを見つける.

  • そのレベルを圏界面とし, その上の成層圏は放射平衡より温度を決定する.


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鉛直 1 次元放射対流平衡モデルの結果

  • Nakajima et al (1992)


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暴走温室状態に至る大気構造


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まとめ:暴走温室状態の定義

  • 成層圏を通過できるフラックスには限界がある.

  • 対流圏が射出できるフラックスには限界がある.

  • これらの放射限界のうち小さい方が大気放射量の上限値となる

  • 放射量上限値を越えた入射が与えられた場合には, 大気は平衡に達することができない. その場合に発生するであろうと考えられる状態が暴走温室状態.


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暴走温室状態に関する研究の歴史

  • 素朴なイメージ

    • Simpson (1927)

    • Gold (1964)

  • 射出限界の発見

    • Komabayashi (1967)

    • Ingersoll (1969)

  • 精緻な放射計算

    • Abe and Matsui (1988)

    • Kasting (1988)

  • 射出限界の記述

    • Nakajima et al. (1992)

  • 非灰色放射

    • Sugiyama et al. (2005)

Abe and Matsui (1988)


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3 次元モデルによる暴走温室状態の数値計算


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1 次元モデルの結果

  • Nakajima et al. (1992)

    • 灰色放射( κ=0.01 Kg/m^2)

    • 飽和した対流圏と放射平衡にある成層圏


Nakajima et al 3

Nakajima et al の3 次元版

  • 1. 三次元系でも本当に暴走するのか?

    • 南北構造がある, 運動がある

  • 2.「暴走限界」はどうやって決まるのか?

    • 1 次元系とどれくらい違うのか?

  • 3. 暴走温室状態とはどんな世界だ?

  • 0. そもそも太陽定数が増大した場合なんて計算できるのか?


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モデル

  • 理想気体, 静水圧近似

  • 大気成分 : 水蒸気と乾燥空気(分子量・比熱等しい)

  • 放射過程 : 日射には透明, 赤外放射には灰色

  • 「雲」無し

  • 湿潤対流調節 (Manabe et al, 1967)

  • 鉛直拡散 : Mellor and Yamada (1974)

  • 地表面条件 : swamp ocean (熱容量が 0)

  • 表面フラックス : バルク法により計算

  • 蒸発・降水による大気量変化は考慮

  • 分解能 : 水平 T21, 鉛直 L32 (64x32x32 グリッド)

  • トリック : 上層減衰層と鉛直フィルター


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計算設定

  • 太陽放射分布

    • 地球の軌道パラメータを使って計算した年平均・日平均分布

    • ずっと昼間.

  • 初期値 : 280 K の等温状態

  • 積分時間 : 1000 〜 2000 日


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全球平均値の時間変化

全球平均惑星放射

全球平均表面温度


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3次元系における「暴走限界」

  • 太陽定数が 1600 W/m^2 を越えると平衡状態に達することができない.

入射放射 - 赤外放射の関係


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平衡状態の南北構造

OLR の南北分布

表面温度の南北分布


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成層圏モデルの放射量上限値

圏界面における相対湿度を考慮


1d vs 3d

鉛直温度構造(1d vs 3d)

3 次元計算結果

1 次元平衡解

1


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1 次元系との対応

相対湿度を変化させた Tg-OLR 関係

  • 「暴走限界」は 1 次元平衡解の放射量上限値に対応する.


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平衡状態の子午面構造

  • ハドレー循環と東西平均温度場

  • 太陽定数の増加時

    • ハドレー循環の背が高くなる

    • ハドレー循環の緯度幅はほとんど変わらない

    • 南北温度勾配は減少


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平衡状態のエネルギーフラックス南北分布

S1380

S1570


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降水量の平面分布

  • S=1380 (地球条件)とS=1570(暴走ギリギリ)

  • 太陽定数増大時の南北方向の潜熱輸送の実体は擾乱


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暴走温室状態の循環

  • S=1800 の結果

  • 温度の子午面分布と質量流線関数


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暴走温室状態のエネルギーフラックス

  • エネルギーフラックスの南北分布 (S1800)

S1380

S1800


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暴走温室状態を初期値とした場合

  • 初期値 : S=1600 W/m^2 の暴走温室状態

    • 太陽定数を 1300 W/m^2 に減少させた場合 : 暴走状態は維持される

    • 太陽定数を 1280 W/m^2 以下に減少させた場合:温度は下降する.

S1600 →S1300

S1600 →S1280


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暴走温室状態の存在条件

  • 暴走温室状態は結構低い太陽定数でも維持される.

  • 1300 / 4.0 = 325 W/m^2 が境目.


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まとめ

  • 3 次元系でも暴走温室状態は発生する.

  • その暴走限界は鉛直 1 次元系で記述可能

  • これをもたらしたものは熱的な南北一様化.

  • 南北熱輸送の効率が大きかったということ?


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エネルギーバランスモデルを用いた全球凍結状態の記述


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全球凍結現象

  • 原生代の後期(約 7 億年前)地球は氷づけになった!?

    • Hoffman et al. (1998)

    • 氷河堆積物、酸素同位体比

  • エネルギーバランスモデル

    • Budyko (1969), Sellers (1969), その他

    • Ikeda and Tajika (1999)

      • 二酸化炭素減ると全球凍結

  • 立派なモデルによる計算

    • Weatherald and Manabe (1975) : 全球凍結

    • Jenkins and Smith (1999)

    • Hyde, Crowley, Baum and Peltier (2000)

    • Baum and Crowley (2001)

    • Poulsen, Pierrehumbert and Jacob (2001) : 全球凍結しない

川上(2000)


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0 次元モデル : 多重平衡

京大・酒井さんの図


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1 次元モデルの定式化

  • 次は南北分布も考える.

  • エネルギーバランスモデル

    • Budyko (1969), Sellers (1969) など

  • 南北 1 次元. 表面温度分布を考察

  • 南北熱輸送による温度変化

    • (全球平均温度) - (温度)

    • 拡散型

  • 長波放射は温度の線形関数

  • 独立変数は表面温度


Budyko

Budyko モデルの結果

  • 全球凍結状態の発生

  • 多重平衡解の存在


Budyko1

Budyko モデルの放射スキーム

  • (長波放射) = a + bT

  • これでは暴走温室状態が除外されている


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エネルギーバランスモデルやり直し

  • 放射はちゃんとした灰色.

  • 入射太陽放射は地球の年平均

  • エネルギー輸送スキーム

    • Budyko 型

    • 拡散型

  • 熱拡散係数は GCM の結果に合うように決定.

    • 氷無し・S=1380 W/m**2 の場合で GCM と似た南北温度差となるように決定.

  • アルベド

    • 0  (Tg>263K)

    • 0.5 (Tg<263K)


Budyko2

やり直しの結果(Budyko の熱輸送)

  • 太陽定数増大時は暴走温室状態と全球凍結状態


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やり直しの結果(拡散型の熱輸送)

  • 太陽定数--氷境界緯度


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解のつながり方


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2 種類の氷無し平衡解


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まとめ

  • 暴走温室状態は小さい太陽定数でも発生し得る.

  • 氷が少ない解のブランチ構造は複雑


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全球凍結状態の3 次元計算


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エネルギーバランスモデルの結果

小極冠不安定

(small ice cap instability)

大極冠不安定

(Large ice cap instability)


Budyko 3

Budyko の 3次元版は?

  • 解の安定性は変わるのか

    • large ice cap instability は発生するのか?

  • 分岐点は変わるのか

    • 全球凍結状態の発生条件はどの程度変わるか?

  • 解の種類は変わるのか

    • 振動解出てきても良い.

    • 「新種の」解は見つかったりするだろうか.

  • EBM と GCM の比較

    • Snowball Earth 仮説に関係して大計算はたくさんある.

    • でも, EBM と比較できるようなショボい計算はない.

    • そもそも, 普通の人は比較できっこないと思っている.


Gcm snowball earth

GCM を用いた Snowball Earth の研究例

  • Weatherald and Manabe (1975)

    • 大気大循環モデル

    • 凍結状態は凍結したまま

  • Baum and Crowley (2001)

    • 大気大循環モデル+海洋混合層モデル

    • CO2濃度が低ければ全球凍結する


Agcm5 3

モデル:地球流体電脳倶楽部版AGCM5.3

  • 理想気体, 静水圧近似

  • 大気成分 : 水蒸気と乾燥空気(分子量・比熱等しい)

  • 放射過程 : 日射には透明, 赤外放射には灰色

  • 湿潤対流調節 (Manabe et al, 1967)

  • 「雲」無し

  • 鉛直拡散 : Mellor and Yamada (1974)

  • 表面フラックス : バルク法により計算

  • 分解能

    • 水平T21, 鉛直L32

  • 地表面条件 : swamp ocean (熱容量が 0)

  • アルベド

    • 氷無し -> 0

    • 氷 -> 0.5

  • 結氷温度は 263K


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計算設定

  • 年平均に地平均太陽放射

  • 初期状態

    • 280 K の等温状態

    • 暴走温室状態

    • ほぼ全球凍結状態

    • 全球凍結状態

    • 部分凍結状態

  • 積分時間 : 5000日 〜 60000日


Ebm gcm

EBM と GCM の結果

  • GCM の結果 EBM の結果

暴走温室

暴走温室

部分凍結

部分凍結

全球凍結

全球凍結


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全球平均温度

  • GCM の結果 EBM の結果


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低緯度まで氷が広がった解はあるか

  • 氷境界が20度未満の部分凍結状態は見つからない

    • 初期条件が部分凍結状態 ×

    • 氷無し状態 ×

    • 赤道で少し開いた状態 ×

  • large ice-cap instability かもしれない

    • GCM では得られない不安定平衡解が存在する可能性

解が見つからない!


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太陽定数を順次減少させる

  • 氷無しの初期条件の場合, S=1295 W/m^2 で全球凍結解

  • S1300 -> S1280 -> S1260 と太陽定数を減少させる

    • 部分凍結する平衡状態が得られてしまった.

S=1280

S=1260


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低緯度まで氷が広がった状態

  • 氷境界が20度程度の部分凍結状態は見つかった

    • S1300 -> S1280 -> S1260 と徐々に太陽定数を減少させる

  • S1260 の結果


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低緯度まで氷が広がった状態の降水


Small ice cap instability

small ice-cap instability は?

GCMの結果

EBMの結果

S1560

S1380

S1260


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「ほぼ全球凍結状態」から出発する場合

  • 完全に全球凍結した状態からだと

    • S=1710 W/m^2 までは全球凍結したまま

    • S=1720 W/m^2 になると融けて暴走する.

  • 赤道域でちょっと開いている場合はどうなるか?

    • 全球凍結する直前から


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「ほぼ全球凍結状態」からの遷移

  • S1600 以下では全球凍結に戻る

  • S1700 では「ほぼ全球凍結状態」から暴走温室状態へ


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まとめ

  • 多重平衡「解」の組み合わせとして暴走温室状態と全球凍結状態ということもありえる

  • 氷境界が高緯度に存在する解

    • 小極冠不安定に対応する結果は得られなかった

    • Lee and North (1995)

  • 氷境界が 20 度に存在する解

  • 赤道近傍まで氷が広がる解は発見できなかった

    • 大極冠不安定が存在しているのかも


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