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2022/12/03

惑星の温室効果とな？

テーマ：地球温暖化防止に関すること全般♪(65)

カテゴリ：地球温暖化

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科学的に温室効果の存在が確認できることとして

惑星の温度の計算と観測される温度の違いが事例として挙げられますな

金星、地球、火星について大きさと太陽の距離などから
温度の計算ができるのですが

天文学的観測から推測される温度とは差があるので

その理由として惑星の大気組成に含まれる温室効果ガスによる
温度上昇によって説明できるということですな

環境省HPにこれについての説明がありますよ

この図表には太陽からの距離などの計算に必要な情報がないので
温度の計算をするには不足しておりますのでこの図表を補完する形で
情報を追加したいと思いますよ

それを元にすれば温室効果気休がない場台の地表気温Tを
計算で求めることができるのでございますよ
気候学ではこの温度のことを
放射平衡温度、有効放射温度、有効温度などというようですな

その計算式は以下のように簡単な内容ではありませんな

太陽定数 S0: 1367 (W/秒*m²≒1.95 cal/min * cm²=1.95/60*100^2cal/秒 *m²=315cal/秒 *m²)　
1W/秒=1J= 1/4.182cal
太陽との距離 d (比率)

アルベド（反射能) A(比率)
ステファン－ボルツマン定数）σ(=5.67 *10⁻⁸ W/m²K⁴)
温室効果気休がない場合の地表気温:Ts (℃)
太陽放射を受ける面積：𝜋R² (℃)
惑星に届く太陽放射エネルギー： 𝜋R² * S0 /d² (W/秒)

地表から出ていくエネルギー： 4𝜋R² * σ *Ts⁴　　 (W/秒)
絶対零度K：(−273.15 °C)

Ts= ( (1-A) *𝜋R² * S0 /d² /(4𝜋R² *σ ) )^(1/4)+K　℃
= ( (1-A) * S0 /d² /(4 *σ ) )^(1/4)+K　℃
= ( (1-A) * S0 /(4 *σ ) )^(1/4) / d^(1/2) +K　℃

太陽放射エネルギー比（地球面積を1として）：Ratio1
Ratio1 =((1-A) *𝜋R² * S0 * /d² /𝜋R² ) /((1-0.3) *𝜋* 6356.752 ² * S0 /(𝜋* 6356.75 ² ))
=((1-A)/0.7)/d²

なお、計算対象には水星などの他の惑星と衛星も追加してみたいと思いますよ

金星

太陽との距離d：0.723 au
赤道面での直径　２R： 12,103.6 km
アルベド（反射能)A：0.78　
この値は0.65という値が支持されていたこともあったようですな
一応両方の値で計算しておきますよ

表面気圧（気圧）：90（9,321.9 kPa）
主な温室効果気体：CO2 90%
太陽放射エネルギー比（地球を1として）：Ratio1
温室効果気体がない場合の地表温度：Ts1
観測される地表温度：477℃ (T1)
温室効果：T1-Ts1 ℃=525.7 ℃

アルベド（反射能)A：0.78　の場合の温室効果気体がない場合の地表温度：
Ts1＝ ( (1-0.78) * 1367 /(4 *5.67 *10^(-8) ) )^(1/4) / 0.723^(1/2) +(-273.15)　℃
＝-48.7℃（環境省HPでは-46 ℃）

アルベド（反射能)A：0.65　の場合の温室効果気体がない場合の地表温度：
Ts1＝ ( (1-0.65) * 1367 /(4 *5.67 *10^(-8) ) )^(1/4) / 0.723^(1/2) +(-273.15)　℃
＝-21.1℃

Ratio1 = ((1-0.65)/0.7)*/(0.723^2)
=0.9565

Ratio1 = ((1-0.78)/0.7)*/(0.723^2)
=0.6012

Ratio1 = 1/(0.723^2) アルベドを考慮しない計算
=1.913

金星の温室効果ガスはほとんどがCo2なのですな
そして90気圧ということでこれは密度でございますので
地球のCo2と比較すると・・・
90*90％ (金星)　/ (1*0.04%)＝202,500倍
とかなりの量の差でございますな
金星の温室効果（525.7 ℃）から
地球のCo2の温室効果を単純比例として計算すると・・・
525.7 ℃/202,500=0.00259 ℃
となってしまいますな
実際の地球の観測気温とかなりかけ離れた数字になってしまいましたな
地球の温室効果はCo2ではなく水蒸気によるものと考えた方がよいのかもしれませんな

地球

太陽との距離：1
赤道面での直径 2R ：12 756.274 km
アルベド（反射能)：0.30
表面気圧（気圧）：1（101.325 kPa）
主な温室効果気体：CO2 0.04%　H2O 1%
温室効果気体がない場合の地表温度：Ts2（計算式は以下）
観測される地表温度：15℃ (T2)
温室効果：T2-Ts2 ℃=33 ℃

Ts2＝ ( (1-0.3) * 1367 /(4 *5.67 *10^(-8) ) )^(1/4) / 1^(1/2) +(-273.15)　℃
＝-18℃（環境省HPでは-18 ℃）

惑星に届くに届くエネルギー： 𝜋R² * S0 /d² /10^3(KW/秒)
= 3.14*((12 756.274/2) *10^3) ^2*1367 /(1^2)/(10^3) (KW)
≒174.6兆ｋＷ/秒（ NHK HP では175兆ｋＷ）
=41.75兆ｋcal/秒（関東農政局では1秒あたり約42兆キロカロリー）

火星

太陽との距離：1 au
赤道面での直径 2R:6,794.4 km
アルベド（反射能)A：0.160
表面気圧（気圧）：0.007（ 0.7～0.9 kPa）
主な温室効果気体：Co2 80%
温室効果気体がない場合の地表温度：Ts3（計算式は以下）
観測される地表温度：-47℃ (T3)
温室効果：T3-Ts3 ℃=9.7 ℃

Ts3= ( (1-0.16) * 1367 /(4 *5.67 *10^(-8) ) )^(1/4) / 1.52^(1/2) +(-273.15)　℃
＝-56.7℃（環境省HPでは-57 ℃）

火星も温室効果ガスはほとんどがCo2ですな
金星と同じように、火星のCo2の温室効果を元にして
地球のCo2の温室効果を計算をしてみますと・・・

9.7 ℃ / ((0.007*80%) /(1*0.04%))=
9.7/((0.007*80/100)/(1*0.04/100))
=0.69℃

これも実際の地球の観測気温とかなりかけ離れた数字になってしまいましたな
やはり地球の温室効果はCo2ではなく水蒸気によるものと考えた方がよいのかもしれませんな

というわけですべて環境省の図表とほぼ同じ温度が計算できましたな
以下は他の惑星衛星についての計算でございますよ

月

太陽との距離：1 au
半径：3,475.8 km（赤道）3,471.3 km（極）
アルベド（反射能)A：0.07
表面気圧（気圧）：10-7 Pa（昼）10-10 Pa（夜）
主な温室効果気体：なし
温室効果気体がない場合の地表温度：TsM（計算式は以下）
観測される地表温度：最低40 K 平均250 K（＝-23.15℃）最高 396 K (TM)
温室効果：なし

TsM= ( (1-0.07) * 1367 /(4 *5.67 *10^(-8) ) )^(1/4) / 1^(1/2) +(-273.15)　℃
＝0.47℃

実際には太陽と月の間の位置に地球が来た場合には地球の影に隠れることになりますので
この計算値は自転周期の平均的な値と考えてはいけませんな
平均値はもっと低い値となると考えるべきですな
その影響で太陽放射エネルギーは90%程度に減少すると仮定すると

0.9* ( (1-0.07) * 1367 /(4 *5.67 *10^(-8) ) )^(1/4) / 1^(1/2) +(-273.15)
＝-26.89℃
となりまして観測される平均気温に近い値となりますな

水星

太陽との距離：0.38709893 au
赤道面での直径 2R:4,879.4 km
アルベド（反射能)A：0.065～0.071
表面気圧（気圧）：10×10−10 Pa、10×10−7 Pa
主な温室効果気体：なし
温室効果気体がない場合の地表温度：Ts4（計算式は以下）
観測される地表温度：623 K(＝349.85 ℃)（日中）103 K(=-170.15 ℃)（夜間） (T4)
温室効果：なし

Ts4= ( (1-0.071) * 1367 /(4 *5.67 *10^(-8) ) )^(1/4) / 0.38709893^(1/2) +(-273.15)　℃
＝167.225℃

この計算での温度は平均値と考えることができますな
水星の日中夜間の温度の平均を計算すると
(623+103)/2 K=363(89.85℃)

かなり違っておりますが理由はちょっとわかりませんな
理解するには私の勉強が足らないという事で今後の課題とさせていただきますよ

土星

太陽との距離：9.55491 au
赤道面での直径 2R:120,536 km
アルベド（反射能)A：0.47
表面気圧（気圧）：140 ｋPa
主な温室効果気体：水蒸気 0.1% 　
温室効果気体がない場合の地表温度：Ts5（計算式は以下）
観測される地表温度：82 K(＝-191.15 ℃＝T5)（日中）平均143K(＝-130.15 ℃)
温室効果：T5-Ts5 =-191.15-(-196.239) =5.089℃
Ts5= ( (1-0.47) * 1367 /(4 *5.67 *10^(-8) ) )^(1/4) / 9.55491 ^(1/2) +(-273.15)　℃
＝-196.239℃

土星の大気には水蒸気 0.1%　があるということですので
計算値よりも観測値の温度が高いので温室効果がわずかですがある
ということになるのでしょうな

タイタン (衛星)

太陽との距離：9.55491 au（太陽と土星の距離）
半径：2,574.93 ± 0.09 km
アルベド（反射能)A：0.22
表面気圧（気圧）：146.7 ｋPa
主な温室効果気体：メタン成層圏内1.4% 　　対流圏下層 4.9%　対流圏下層 2.7 ± 0.1%
温室効果気体がない場合の地表温度：Ts6（計算式は以下）
観測される地表温度 T6：93.7 K(＝-179.5 ℃)
温室効果：T6-Ts6 ℃= 8.938℃
Ts6= ( (1-0.22) * 1367 /(4 *5.67 *10^(-8) ) )^(1/4) / 9.55491 ^(1/2) +(-273.15)　℃
＝-188.438℃

タイタンの大気にはメタンが存在しておりますので温室効果があるのですな

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