高校地学 気候変動とフィードバック—最初の変化と増幅する応答を因果図で分ける｜武蔵野個別指導塾

雪氷の反射率から日射吸収量を計算し、水蒸気と雲の応答が気温へ戻る道筋を整理します。

よくあるのは、高校生が「温暖化で水蒸気が増えます」と答えたあと、水蒸気の増加を最初の原因としてだけ説明する場面です。水蒸気は赤外放射に作用しますが、気温の変化に応じて水蒸気の量も変わります。出発点と、その後に戻ってくる作用を区別すると、循環する因果関係を一方向の説明に押し込めずに済みます。

問題で何をつなぐか

出方の1つは、温室効果を強める変化を出発点として、気温、水蒸気、赤外放射の矢印を並べるものです。順番だけでなく、どの矢印が元の変化へ戻るかまで説明します。水蒸気が温室効果に寄与する事実と、その水蒸気量が気温に応答する事実は両立します。

別の型では、雪氷に覆われた面積と反射率の資料から、吸収される日射の変化を読みます。雪氷が減った事実と、それが気温に返す作用を分けて書くことが必要です。3つ目は雲の問題です。日射の反射と地球からの赤外放射への作用を両方挙げ、雲の性質によって差があることを示します。雲が増えたという情報だけでは、気温への正味の効果を決められません。

出発点と応答を分ける

気候は長い期間にわたる大気や海洋などの状態として考えます。その変化には、気候系の外から加わる変化と、系の内部の相互作用によって生じる変動があります。例えば太陽から届くエネルギーの変化は外からの要因です。一方、海洋と大気が熱をやり取りしながら変動することは内部変動の例です。区別は、何を気候系として境界に含めるかを最初に決めて行います。

大気中のCO₂が増えると、地表から出る赤外放射の吸収などを通じて地球の放射収支が変化します。人間活動によるCO₂の増加は、気候系に対する外的な強制の例として扱えます。ここでいう強制は、人間が地球の外にいるという意味ではありません。気温の変化に対する応答と区別して、気候系に加わる条件の変化として扱うという意味です。

温室効果は、大気が赤外放射を吸収し、上下に放射することで地表付近の温度に影響する作用です。大気が熱を新しく生み出すわけではありません。入ってくるエネルギーと宇宙へ出るエネルギーの関係が変わり、温度が変化します。地表からの赤外放射は地表温度が高くなるほど増えるため、温暖化に対して宇宙へ出る放射を増やす方向の応答も働きます。これを忘れると、増幅する応答だけで温度が際限なく増えると誤読します。

図1のように、最初に温室効果が強まって気温が上がると、蒸発や凝結などを通じて大気中の水蒸気量が変化し、平均的には増える方向に働きます。水蒸気も温室効果を持つため、その増加はさらに温暖化を強める方向に作用します。矢印が出発点の温度変化を増幅するので、正のフィードバックと呼びます。正は「望ましい」という意味ではなく、最初の変化と戻る作用の向きが同じという意味です。

ただし気温が上がれば、どの場所でも必ず同じ割合で水蒸気が増えるという意味ではありません。水蒸気の量は水の供給や空気の流れ、降水などにも左右されます。一定の相対湿度を仮定すれば、温度上昇に伴って飽和水蒸気圧が高くなるため、水蒸気圧も高くなります。この仮定は説明用の条件であり、あらゆる地点で相対湿度が一定になるという主張ではありません。

雪や氷の面は、一般に露出した地面や海面より日射をよく反射します。入射した日射に対する反射の割合をアルベドといいます。温度が上がって雪氷が減ると、より反射しにくい面が現れ、同じ日射を受けたときの吸収が増えます。吸収の増加がさらに温度を上げるなら、これも正のフィードバックです。日射が届かない時間には、その場で日射の反射が減ることによる吸収増加は生じません。場所と季節を無視して同じ効果を当てはめないことが大切です。

雲には日射を反射する作用と、地表からの赤外放射を吸収して再放射する作用があります。前者は地表と大気の系への日射の吸収を減らす方向、後者は宇宙への赤外放射を減らす方向に働きます。雲の高さ、厚さ、広がりや周囲の状態で両者の相対的な強さは変わります。雲そのものの放射効果と、気温の変化に伴って雲が変わり、その変化が気温に戻る雲フィードバックは別の問いです。

基本例題：雪氷が減った面の収支

ある練習用モデルでは、同じ面積に同じ時間に入る日射を100単位とします。雪面のアルベドは0.8、露出した地面は0.2です。大気や雲による変化は考えず、反射されなかった日射はその面に吸収されます。雪面が同じ面積の地面に変わったとき、吸収量は何単位増えますか。整数で答え、元の入射量に戻して確かめます。

図2のように、まず反射を求めてから吸収を求めます。アルベドをa、入射量をSとすると、反射量はS・aです。入射量は反射と吸収に分かれるという条件から、吸収量はS − S・a、つまりS・(1 − a)です。

雪面の反射 = 100・0.8 = 80単位
雪面の吸収 = 100 - 80 = 20単位
地面の反射 = 100・0.2 = 20単位
地面の吸収 = 100 - 20 = 80単位
吸収の増加 = 80 - 20 = 60単位

答えは60単位です。雪面は反射80と吸収20の合計が100、地面も反射20と吸収80の合計が100で、どちらも与えられた入射量に戻ります。増えた60単位は新たに日射が発生した量ではなく、反射されなくなった分です。別解では反射の減少80 − 20を求めても同じ60単位になります。

この差を直ちに実際の気温上昇量に換算することはできません。現実には日射の変化や熱の移動、赤外放射なども影響するためです。また、指定したアルベドは計算のための条件であり、自然界の一定値ではありません。

標準例題：矢印の向きを確かめる

ある地域で、気温低下に伴って雪氷が広がり、ほかの条件が同じならその地域のアルベドが上がったとします。日射の吸収量と、それが元の気温変化に返す向きを説明し、正か負か答えます。日射は届いているものとします。

アルベドが上がると、入射する日射のうち反射される割合が増えます。入射量が同じなので吸収される割合は減ります。吸収の減少は温度を下げる方向に働き、出発点の気温低下を強めます。したがって正のフィードバックです。温度が下がる事例でも、戻る作用が同じ下向きなら正です。

逆から点検すると、雪氷の拡大を原因に吸収が増えるとした答案は、反射と吸収の関係を取り違えています。ただし現実の温度は他の要因にも左右されます。この問題の結論は、日射があり、他の条件をそろえたときの当該経路の作用です。観測された気温の全変化を、この経路だけで説明したことにはなりません。

発展例題：雲の作用を差で読む

次は練習用の放射モデルです。雲がない場合に比べ、ある雲は日射の吸収を30単位減らし、宇宙への赤外放射を18単位減らします。ほかの条件は変わらないとします。地球の系に残るエネルギーの変化を、増加を正として整数で示し、雲の正味の作用を答えます。

入って吸収される量の減少は -30単位です。出ていく量の減少は、系に残る量については +18単位です。したがって -30 + 18 = -12単位となり、雲のない場合より系に残るエネルギーは12単位少なくなります。この条件では冷却方向の作用です。

別解は、冷却方向30単位と加熱方向18単位の差を取る方法です。30 − 18 = 12単位の冷却方向となり、符号を付けた結果と一致します。戻して確かめると、冷却方向の差12に加熱方向18を加えれば、日射吸収の減少30になります。単位はこのモデルの共通の量であり、現実の観測値ではありません。

この問題は雲の有無を比較しています。温度の上昇で雲がどのように変化したかは与えられていないため、ここから雲フィードバックの正負を決めることはできません。また別の雲では赤外放射への作用が相対的に大きくなることもあり、雲という名前だけでは正味の符号を固定できません。

誤答の原因を図でほどく

図3のように、最初の変化から気温への矢印と、気温から戻る輪を分けて書きます。「水蒸気が増えたから温度が上がる」という文だけでは、水蒸気が増えた理由を説明できません。最初に与えた強制を書き、その後に温度への応答として水蒸気が変化する矢印を足します。

「正のフィードバックは温度が上がる場合だけ」という答えも誤りです。温度の下降が別の下降を生むときも、元の変化が強まるので正です。変化の符号だけでなく、戻った作用が出発点を増幅するか弱めるかを調べます。負のフィードバックは出発点の変化を弱める向きに戻る作用です。

「オゾン層に穴が開き、日射がそのまま入ることが温暖化の主因」という説明も混同です。成層圏のオゾン層の減少は、主に紫外線を吸収するオゾンに関わる問題です。温室効果の強化は主に赤外放射の吸収と放射の変化で考えます。両者は同一の現象ではなく、互いに影響する経路や両方に関係する物質があることと、同じ原因だとすることは別です。

「同時に増えたから片方がもう片方の原因」という答案も点検します。共通の要因や、逆向きの作用があり得るからです。矢印には、何が変化し、どの物理過程で次の量が変化するかを書き添えます。資料だけで経路を特定できない場合は、決められないと答えることも必要です。

条件をそろえて資料を読む

雪氷の反射を比べる観測を考えるとき、同じ場所でも太陽の高さ、雲、雪面の状態が異なれば、反射された量の単純な比較には別の差が混じります。入射日射と反射日射を同じ時間帯・同じ面について測り、その比を比較します。測器の向きや汚れ、時刻のずれも誤差の原因です。入射量がごく小さいときは比が不安定になりやすく、測定の不確かさに注意します。

気温と水蒸気の関係を見るときも、同じ高度や期間で比較し、季節や空気の流れの違いを確かめます。相関があっても、温度から水蒸気への作用と、水蒸気から放射への作用の両方がその資料だけで証明されたとは限りません。雲についても、雲量の変化だけで放射の正味を判断せず、高さや厚さを含む資料が必要です。観測の不確かさと、モデルで省いた過程の影響を分けて考えます。

練習問題

以下の数値はすべて練習用の条件です。計算は整数で答えます。

1. ある面への日射が200単位、アルベドが0.3です。反射量と吸収量を求め、合計が入射量に戻ることを示します。
2. 同じ入射日射が150単位の2面で、面Aのアルベドは0.6、面Bは0.4です。Bの吸収量はAより何単位多いですか。
3. ある雲によって日射の吸収が14単位減り、宇宙への赤外放射が22単位減ります。系に残るエネルギーの変化を増加を正として求め、作用の向きを答えます。
4. ある変化で気温が上がり、その結果、ある経路が元の気温上昇を弱める方向に働きました。この経路のフィードバックの正負と、その理由を答えます。
5. 同じ期間の資料で気温と水蒸気量がともに増えました。この資料だけで、水蒸気の増加だけが気温上昇の最初の原因といえるか、理由とともに答えます。

練習の答えと解き方

1. 反射は200・0.3 = 60単位、吸収は200 − 60 = 140単位です。60 + 140 = 200単位となり、与えられた入射量に戻ります。反射と吸収以外の出入りを含めない条件です。
2. Aの反射は150・0.6 = 90単位、吸収は150 − 90 = 60単位です。Bの反射は150・0.4 = 60単位、吸収は150 − 60 = 90単位です。差は90 − 60 = 30単位です。各面で反射と吸収を足すと150単位に戻り、反射の差90 − 60も30単位です。
3. 残るエネルギーの変化は -14 + 22 = +8単位です。赤外放射の減少が日射吸収の減少を8単位上回り、加熱方向です。差の8に14を加えると22に戻ります。これは与えられた雲の作用であり、温度変化に応じた雲の変化は指定されていません。
4. 負のフィードバックです。戻ってきた作用が、出発点の気温上昇を弱める向きだからです。上昇したという事実だけでは正負は決まらず、応答が元の変化にどう働くかで決めます。
5. いえません。同時に増えたという資料だけでは、どちらが先に変わったかや、他の要因の作用を決められないからです。気温上昇に応じた水蒸気の増加という経路も考えられますが、この資料だけでそれが唯一の経路だとも断定できません。

覚えておくこと

出発点となる強制と、気温変化に応答して戻る作用を分けます。 正のフィードバックは初めの変化を強め、負は弱めます。 水蒸気と雪氷の経路は温暖化を増幅する方向に働きます。 雲の正味の作用は日射と赤外放射の両方と雲の条件で考えます。 オゾン層の変化と温室効果の強化は、作用する放射を区別します。

つまずきは答案の矢印に現れます

個別指導で答案を見るときは、最初の矢印の出発点と、最後の矢印がどこへ戻るかを確かめます。水蒸気の説明で温度から水蒸気への矢印が欠けていれば、応答が抜けています。雪氷の説明で反射率から吸収への矢印が同じ向きなら、入射量を一定として反射と吸収を足し直します。

雲の答案に「反射」しかなければ赤外放射への作用も尋ね、両者の差をとる境界を確認します。原因を問われた答えに「同時に変化した」とだけあれば、作用する過程と、資料から判断できない範囲を分けます。矢印の向きと条件を言葉で説明できれば、循環する因果関係を追えます。