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地球の熱収支と温室効果

太陽放射（可視光線中心）と地球放射（赤外線中心）の違い、アルベド約 3 割、温室効果ガスが赤外線を吸収・再放射するしくみ、地表・大気・地球全体でのエネルギーのつり合い（顕熱・潜熱の輸送を含む）について述べた文の正誤を判定できる

前提

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説明

地球は太陽からエネルギーを受け取り、ほぼ同じ量のエネルギーを宇宙へ放射しているので、長い期間で見ると平均気温はほぼ一定に保たれています。この技能では、太陽放射と地球放射の違い、反射される割合（アルベド）、温室効果ガスが地表を暖めるしくみ、そして地表・大気・地球全体でエネルギーがどのように出入りしてつり合っているかを整理します。これらについて述べた文の正誤を判定できるようになり、地球温暖化などの話題を理解する土台になります。

なぜそうしてよいのか

物体は温度に応じた電磁波を放射し、温度が高いほど強く、より波長の短い電磁波を多く出します。約 6000 K の表面をもつ太陽の放射（太陽放射）は可視光線の領域で最も強く、紫外線や赤外線も含みます。一方、ずっと温度の低い地表や大気が出す放射（地球放射）は、ほとんどが目に見えない赤外線です。地球に届いた太陽放射のうち約 3 割は、雲・大気・地表（雪や氷など）で反射されて宇宙へ戻ります。この反射される割合をアルベドといいます。残りの約 7 割が大気と地表に吸収されますが、大気は可視光線をあまり吸収しないので、その多くは大気を通りぬけて地表に吸収されます。

大気は可視光線は通しやすい一方、赤外線はよく吸収します。赤外線を吸収するのは、大気の大部分をしめる窒素や酸素ではなく、水蒸気・二酸化炭素・メタンなどの温室効果ガスです。地表が出した赤外線の多くは温室効果ガスに吸収され、温室効果ガスを含む大気は、宇宙へ向けても地表へ向けても赤外線を放射（再放射）します。地表は太陽放射に加えて、大気から戻ってくる赤外線も受け取るので、大気がない場合より高い温度に保たれます。これが温室効果で、温室効果がなければ地表の平均気温は約 ℃ になるはずのところ、実際には約 15 ℃ に保たれています。

エネルギーのつり合いは、地球全体・大気・地表のそれぞれについて成り立ちます。地球全体では、吸収した太陽放射（約 7 割の分）と、宇宙へ出ていく地球放射が等しくなっています。地表は、吸収した太陽放射と大気からの赤外線を受け取り、赤外線の放射のほか、伝導や対流によって直接大気を暖める熱（顕熱）と、水が蒸発するときに奪って上空で凝結するときに大気に渡す熱（潜熱）として、大気へエネルギーを送り出しています。地表から大気へ運ばれるこの 2 つの熱のうち、潜熱の方が顕熱より大きいのが特徴です。大気は、太陽放射の一部・地表からの赤外線・顕熱・潜熱を受け取り、宇宙と地表へ赤外線を放射してつり合っています。

手順

  1. 選択肢の文が、放射の種類（太陽放射・地球放射）、アルベド、温室効果、エネルギーのつり合いのどれについて述べているかを見分ける

  2. 放射の種類なら、太陽放射は可視光線が中心、地球放射は赤外線が中心であることと照らし合わせる

  3. アルベドなら、地球に届く太陽放射の約 3 割が反射され、約 7 割が大気と地表に吸収されることと照らし合わせる

  4. 温室効果なら、水蒸気・二酸化炭素などが赤外線を吸収し、地表に向けても再放射して地表を暖めること（窒素・酸素はほとんど関わらないこと）を確かめる

  5. つり合いなら、地球全体・大気・地表のそれぞれで入るエネルギーと出るエネルギーが等しく、地表から大気へは放射のほかに顕熱・潜熱でも運ばれる（潜熱の方が大きい）ことを確かめて判定する

例題

地球の熱収支について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

ア　太陽放射は赤外線の領域で最も強く、地球放射は可視光線が中心である。
イ　地球に届く太陽放射のうち、約 7 割が雲・大気・地表で反射されて宇宙空間へ戻る。
ウ　水蒸気や二酸化炭素は、地表から放射された赤外線を吸収し、その一部を地表に向けて再放射するので、地表付近の気温を高く保つはたらきがある。
エ　地表から大気へエネルギーが運ばれるのは放射によるものだけで、水の蒸発と凝結にともなう熱の輸送はない。

例題の解答

手順 1：アは放射の種類、イはアルベド、ウは温室効果、エはつり合い（地表から大気への熱の運ばれ方）についての文である。
手順 2：太陽放射は可視光線が中心、地球放射は赤外線が中心である。アは逆なので誤り。
手順 3：反射されるのは約 3 割で、約 7 割が吸収される。イは割合が逆なので誤り。
手順 4：水蒸気や二酸化炭素は温室効果ガスで、地表からの赤外線を吸収し、地表に向けても再放射して地表を暖める。ウは正しい。
手順 5：地表から大気へは、放射のほかに顕熱と潜熱（水の蒸発と凝結による熱の輸送）でもエネルギーが運ばれる。エは誤り。正しいものはウである。

答え:

ウ

よくある誤り

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

この技能を使う問題

この技能の次に学べること