惑星気候学PPT课件

1、1惑星気候学 - 簡単理論大気大循環 -石渡正樹（北大理）23気候 多様気候: 惑星, 昔地球, 系外惑星, 大雑把良同土俵考 地球気候安定性 : 地球気候出現条件?金星図 : http:/ : http:/ : http:/ 地球地球？ 地球的気候 = 海洋存在得状況 気候太陽定数依存性 暴走温室状態, 全球凍結状態, 解多重性, 分岐現象臨界値存在 地球気候調 安定性 分役? 知世界想像基礎資料5気候状態記述 複雑度使 鉛直次元 南北次元 南北-鉛直次元 領域次元 球面次元（大気大循環：GCM）6次元用暴走温室状態記述7暴走温室状態話 暴走温室状態 大気射出以上入射与状態 形成期地球暴走温

2、室状態 地球型惑星大気形成論 Matsui and Abe (1986) Abe and Matsui (1988) 微惑星衝突 水蒸気大気形成8地球放射太陽放射 地球放射太陽放射考 法則 温度 T 黒体射出放射量 T4地学図表（浜島書店）9平衡状態決定条件式 入射放射 = 射出放射10次元的考察 温度値決考 代表的温度値決議論11大気無場合 : 有効放射温度 地表面放射収支 (反射率) A :太陽放射反射割合.4/1444224)1 (4)1 (4)1 (FASTFASTTrrASgggee小倉（1999）一般気象学12大気 1 層 1 枚(大気 1 層) 大気太陽放射対透明, 地球放射全部

3、吸収442agTT44gaTTFegeaTFTTFT4/14422地表面大気層放射収支TaTg解13多層 同様, 各層放射収支考egTnT4/1) 1( 小倉（1999）一般気象学14灰色放射 厚考慮 平行平面、灰色放射仮定43232TBBFddFBFddFdz15鉛直次元的考察小倉（1999）一般気象学 地球大気温度鉛直構造16成層圏 Komabayashi (1969), Ingersoll (1969) 成層圏下端飽和 成層圏水蒸気分率(比湿)一定 放射平衡成層圏 灰色放射 吸収係数波長. 解決? 成層圏界面温度決 圏界面飽和条件水蒸気量決 成層圏内水蒸気分布決 放射平衡仮定温度分布求.

4、17成層圏結果 成層圏通過放射量限界.18鉛直 1 次元放射対流平衡 Nakajima et al (1992) 1 点, 水平平均場鉛直構造考 大気成分 : 水乾燥空気 飽和対流圏放射平衡成層圏 灰色放射 日射透明 赤外放射灰色 ( =0.01 Kg/m2)19鉛直 1 次元計算手順 表面温度決 地表湿潤断熱線引 放射計算, 放射平衡見. 圏界面, 上成層圏放射平衡温度決定.20鉛直 1 次元放射対流平衡結果 Nakajima et al (1992)21暴走温室状態至大気構造22：暴走温室状態定義 成層圏通過限界. 対流圏射出限界. 放射限界小方大気放射量上限値 放射量上限値越入射与場合,

5、 大気平衡達. 場合発生考状態暴走温室状態.23暴走温室状態関研究歴史 素朴 Simpson (1927) Gold (1964) 射出限界発見 Komabayashi (1967) Ingersoll (1969) 精緻放射計算 Abe and Matsui (1988) Kasting (1988) 射出限界記述 Nakajima et al. (1992) 非灰色放射 Sugiyama et al. (2005)Abe and Matsui (1988)243 次元暴走温室状態数値計算251 次元結果 Nakajima et al. (1992) 灰色放射( =0.01 Kg/m2) 飽

6、和対流圏放射平衡成層圏26Nakajima et al 3 次元版 1. 三次元系本当暴走? 南北構造, 運動 2.暴走限界決? 1 次元系違? 3. 暴走温室状態世界? 0. 太陽定数増大場合計算?27 理想気体, 静水圧近似 大気成分 : 水蒸気乾燥空気(分子量比熱等) 放射過程 : 日射透明, 赤外放射灰色 雲無 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 0) 表面 : 法計算 蒸発降水大気量変化考慮 分解能 : 水平 T21, 鉛直 L32 (64x32x32

7、 ) : 上層減衰層鉛直28計算設定 太陽放射分布 地球軌道使計算年平均日平均分布 昼間. 初期値 : 280 K 等温状態 積分時間 : 1000 2000 日29全球平均値時間変化全球平均惑星放射全球平均表面温度30次元系暴走限界 太陽定数 1600 W/m2 越平衡状態達.入射放射 - 赤外放射関係31平衡状態南北構造OLR 南北分布 表面温度南北分布 32成層圏放射量上限値圏界面相対湿度考慮33鉛直温度構造（1d vs 3d)11 次元平衡解3 次元計算結果341 次元系対応 暴走限界 1 次元平衡解放射量上限値対応.相対湿度変化 Tg-OLR 関係35平衡状態子午面構造 循環東西平均

8、温度場 太陽定数増加時 循環背高 循環緯度幅変 南北温度勾配減少36平衡状態南北分布S1380S157037降水量平面分布 S=1380 (地球条件)S=1570(暴走) 太陽定数増大時南北方向潜熱輸送実体擾乱38暴走温室状態循環 S=1800 結果 温度子午面分布質量流線関数39暴走温室状態 南北分布 (S1800)S1380S180040暴走温室状態初期値場合 初期値 : S=1600 W/m2 暴走温室状態 太陽定数 1300 W/m2 減少場合 : 暴走状態維持 太陽定数 1280 W/m2 以下減少場合:温度下降.S1600 S1300S1600 S128041暴走温室状態存在条件

9、暴走温室状態結構低太陽定数維持. 1300 / 4.0 = 325 W/m2 境目.42 3 次元系暴走温室状態発生. 暴走限界鉛直 1 次元系記述可能 熱的南北一様化. 南北熱輸送効率大?43用全球凍結状態記述44全球凍結現象 原生代後期(約 7 億年前)地球氷!? Hoffman et al. (1998) 氷河堆積物、酸素同位体比 Budyko (1969), Sellers (1969), 他 Ikeda and Tajika (1999) 二酸化炭素減全球凍結 立派計算 Weatherald and Manabe (1975) : 全球凍結 Jenkins and Smith (19

10、99) Hyde, Crowley, Baum and Peltier (2000) Baum and Crowley (2001) Poulsen, Pierrehumbert and Jacob (2001) : 全球凍結川上(2000)450 次元 : 多重平衡京大酒井図461 次元定式化 次南北分布考. Budyko (1969), Sellers (1969) 南北 1 次元. 表面温度分布考察 南北熱輸送温度変化 (全球平均温度) - (温度) 拡散型 長波放射温度線形関数 独立変数表面温度)()(ssssTTSbTatTC47Budyko 結果 全球凍結状態発生 多重平衡解存在4

11、8Budyko 放射 (長波放射) = a + bT 暴走温室状態除外49直 放射灰色. 入射太陽放射地球年平均 輸送 Budyko 型 拡散型 熱拡散係数 GCM 結果合決定. 氷無S=1380 W/m*2 場合 GCM 似南北温度差決定. 0（TK) 0.5 （TK)50直結果(Budyko 熱輸送) 太陽定数増大時暴走温室状態全球凍結状態51直結果(拡散型熱輸送) 太陽定数-氷境界緯度52解方532 種類氷無平衡解54 暴走温室状態小太陽定数発生得. 氷少解構造複雑55全球凍結状態3 次元計算56結果大極冠不安定(Large ice cap instability)小極冠不安定(smal

12、l ice cap instability)57Budyko 3次元版？ 解安定性変 large ice cap instability 発生? 分岐点変 全球凍結状態発生条件程度変? 解種類変 振動解出良. 新種解見. EBM GCM 比較 Snowball Earth 仮説関係大計算. , EBM 比較計算. , 普通人比較思.58GCM 用 Snowball Earth 研究例 Weatherald and Manabe (1975) 大気大循環 凍結状態凍結 Baum and Crowley (2001) 大気大循環+海洋混合層 CO2濃度低全球凍結59:地球流体電脳倶楽部版AGCM5

13、.3理想気体, 静水圧近似大気成分 : 水蒸気乾燥空気(分子量比熱等)放射過程 : 日射透明, 赤外放射灰色湿潤対流調節 (Manabe et al, 1967) 雲無鉛直拡散 : Mellor and Yamada (1974)表面 : 法計算分解能 水平T21, 鉛直L32 地表面条件 : swamp ocean (熱容量 0) 氷無 - 0 氷 - 0.5結氷温度 263K60計算設定 年平均地平均太陽放射 初期状態 280 K 等温状態 暴走温室状態 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61EBM GCM 結果 GCM 結果 EBM 結果全球

14、凍結全球凍結全球凍結全球凍結暴走温室暴走温室暴走温室暴走温室部分凍結部分凍結部分凍結部分凍結62全球平均温度 GCM 結果 EBM 結果63低緯度氷広解 氷境界20度未満部分凍結状態見 初期条件部分凍結状態 氷無状態 赤道少開状態 large ice-cap instability GCM 得不安定平衡解存在可能性解見！64太陽定数順次減少 氷無初期条件場合, S=1295 W/m2 全球凍結解 S1300 - S1280 - S1260 太陽定数減少 部分凍結平衡状態得.S=1280S=126065低緯度氷広状態 氷境界20度程度部分凍結状態見 S1300 - S1280 - S1260 徐太陽定数減少 S1260 結果66低緯度氷広状態降水67small ice-cap instability ?GCM結果EBM結果