%題名 地球概説  太陽放射, 地球放射
%履歴 90/05/26 保坂征宏
%     90/08/03 保坂征宏
%     90/09/04 保坂征宏
%     92/07/21 林祥介

\documentstyle[a4j,12pt,ascmac,twoside,dennou,Depspic]{jarticle}
\Dtitle{地球現象論: 太陽放射, 地球放射}
     \Dauthor{地球流体電脳倶楽部}
     \Ddate[96/08/02]{1996 年 8 月 2 日}
     \Dpath{/riron/genshou/earth/housha/}

\begin{document}

%      \pagenumbering{roman}
      \maketitle
      \tableofcontents      
%      \clearpage
%      \pagenumbering{arabic}
\begin{abstract}
ここでは, 太陽から地球に到達する太陽放射, 
地球から射出される地球放射, 
並びに地球のアルベドについて記す. 
ただし, ここで取り上げる太陽・地球放射とは, 
地球の観測衛星軌道において
太陽から向かってきた放射と地球から向かってきた放射のことを指す. 
地球放射には固体地球, 大気の射出した放射に加えて
太陽放射が反射したものも含まれている. 

\end{abstract}

%==================================================================
\newpage

\section{太陽放射}
   
   ここでは, 地球大気上端に届く太陽放射について, 
   \begin{itemize}
      \item 太陽定数 --- 単位時間単位面積あたり
                         放射エネルギーの全波数についての積分値
      \item 太陽定数観測の誤差について
      \item スペクトル分布
      \item 単位時間単位面積あたり放射エネルギーの年変化・緯度分布
   \end{itemize}
   を示す. 
   

\newpage

   \subsection{太陽定数}
      
      太陽定数とは, 
      太陽から太陽地球間の平均距離だけ離れた位置における, 
      単位時間単位面積を通過する太陽放射エネルギーのことである. 
      
      \vspace{5mm}
      太陽定数の値は, 
      基本量のところでも示したように, 
      $1367 \pm 7 (\mbox{W}/\mbox{m}^2)$ 
      である. 
      これは WMO が 1980 年の会議で勧告した値である. 
      しかし, 次にコメントしているように, 
      この値が信頼に足るものであるとは言えない.
      因みに気象庁では, 1382$\mbox{W}/\mbox{m}^2$ 
      という値を基準値として使っている.
      なお, 
      太陽定数は, 
      あとで示す太陽放射のスペクトルから得られる
      太陽の表面温度（約5762K）, 
      ステファンボルツマン定数
      （$5.67 \times 10^7 \mbox{W}/\mbox{m}^2 \mbox{K}^4$）, 
      地球太陽間平均距離（$1.5 \times 10^8$ km）, 
      太陽半径（$70 \times 10^4$ km）を用いて, 
      \begin{displaymath}
               5.67 \times 10^{-8} \times 5762^4 
                    \times \left( \frac{70 \times 10^4}
                                  {1.5 \times 10^8}   \right)^2
                \cong  1360 (\mbox{W}/\mbox{m}^2)
      \end{displaymath}
      と概算できる. 
    
  \subsection{太陽定数の測定誤差}
      
      太陽定数の値については, 
      最近では
      人工衛星による観測により決定されている. 
      観測データから, 太陽定数の他, 太陽放射の地球による反射, 
      地球放射がわかるので, 
      原理的には
      太陽定数や
      地球の放射収支が得られる. 
      
      \vspace{2mm}
      太陽そのものの放射が変化せず, 
      地球が熱的に１年周期で変化しているとみなせて, 
      かつ測定誤差がないと仮定する. 
      このとき, 太陽定数はどの観測においても同じ値をとり, 
      1 年平均の地球の放射収支は
      0 に近い値をとると予想される. 
           
      \vspace{2mm}
      しかし, 実際には, 
      太陽定数の値は
      各観測毎に $\pm 20\mbox{W}/\mbox{m}^2$ 程度異なっている. 
      年平均放射収支も 0 ではなく, 
      約 20$\mbox{W}/\mbox{m}^2$ 程度の, 
      太陽定数に比べて必ずしも小さくない値になることがある. 
      これらの主たる原因は現在のところ測定誤差である
      とされている\footnotemark[1]. 
      
         \footnotetext[1]{
           放射収支の年平均が 0 に近いかどうかが, 
           その測定システムそのものの正しさの
           判定材料になっているほどである. }
      
      \vspace{2mm}
      測定誤差以外の原因としては, 
      太陽定数自体の変化も考えられる. 
      しかし, 現在の技術水準では, 
      測定誤差が大きすぎて（約 $ 1 \sim 2 $％ 程度.）, 
      太陽定数が変化しているのかどうかは
      よくわからない. 
        
        
 \newpage
        
   \subsection{スペクトル分布}
      
      図 1, 2 に
      太陽放射のスペクトル分布を示す. 
      図 1 は幅広い波長域における太陽放射の波長 - 放射束密度分布であり, 
      図 2 はそのごく一部の, 放射束密度の大きい波長域における
      太陽放射の波長 - 放射束密度分布である. 
      可視域から遠赤外域にかけては 5762 K の黒体放射のそれに近い. 
      しかし, 可視域より短い波長の領域においては, 
      それよりもはるかに高温の黒体放射のスペクトルに近くなっている
         \footnotemark[1]. 
      
         \footnotetext[1]{
           太陽放射については, 
           ほぼ 6000 K ($\cong$ 5762 K) の黒体放射
           とみなされていることが多い. 
           これからのずれが生じるのは, 
           太陽は, 表面（この温度が約 6000 Kと思われる）のみならず, 
           温度の異なる様々な深さから
           外側へ射出していて, 
           それが太陽内部で吸収されることなく太陽から出るため, 
           と予想されている.}
    
% 図とキャプション始まり


    \begin{center}
    \Depsf[150mm]{fig-prohibited/housha-1.ps}
    \end{center}   
    
    \begin{description}
      \item 
      図1 \ 地球大気外における太陽放射のスペクトル.
      横軸に波長をとり, 
      各波長毎の放射束密度を示している. 
      波長域は $ 10^{-9} \mbox{m} \sim 10 \mbox{m}$である. 
      縦軸の単位は, $\mbox{W} \mbox{cm}^{-2} \mu \mbox{m}^{-1}$ である. 
      （MKS 単位系に比べ, ４桁小さい数値になっていることに注意.）
      点線は, 数字の示す温度の相当黒体放射のスペクトルをあらわす. 
      なお, この図の元になっているデータは
       NASA(1971)\footnotemark[2] である. 
      （会田, 1982） 
    \end{description}
       \footnotetext[2]{未確認である.}
    
  \newpage
    
    
    \begin{center}
    \Depsf[120mm]{fig-prohibited/housha-2.ps}
    \end{center}

    \begin{description}
      \item 
      図2 \ 地球大気外における太陽放射のスペクトル. 
      横軸に波長をとり, 
      各波長毎の放射束密度を示している. 
      波長域は,  $ 0.2 \times 10^{-6} \mbox{m} 
          \sim 2.6 \times 10^{-6} \mbox{m}$である. 
      縦軸の単位は, $\mbox{W} \mbox{m}^{-2} \mu \mbox{m}^{-1}$ である. 
      なお, この図の元になっているデータは
       NASA(1971)\footnotemark[1] である. 
     （Duffie, and Beckman, 1974）
    
       \footnotetext[1]{未確認である.}

    \end{description}


% 図とキャプション終り



\newpage

  \subsection{緯度別年変化}

     図3 は地球に達する１日あたりの太陽放射エネルギーの
     緯度別年変化を示したものである. 
     天文学的諸量と太陽定数から, 
     各緯度において大気上端に届く
     １日あたりの太陽放射エネルギーを計算した. 
     
     \vspace{5mm}
     図を見て目立つところを挙げる. 
     \begin{itemize}
       \item 冬の極では日射が 0 になる. （図3 の斜線部）
       \item 6, 12 月は冬極で日射量最小（0）, 
             夏極で日射量が最大となる. 
             このときの夏極における日射量は, 
             あらゆる緯度, 季節における日射量の中で最大である. 
     \end{itemize}
     
     
% 図とキャプション始まり
     
 
     \begin{center}
     \Depsf[100mm]{fig-prohibited/housha-3.ps}
     \end{center}

     \begin{description}
      \item[図3] 大気上端に届く太陽放射エネルギーの緯度・季節変化. 
       各緯度, 月において, （仮に大気がないとしたときに）
       地表 $1\mbox{m}^2$ が１日に受ける太陽放射エネルギーの量を示した. 
       単位は cal である. 
       ただし, 太陽定数を $1.94\mbox{cal}/\mbox{cm}^2 \mbox{min}$
       （$ = 1.35 \mbox{kW}/\mbox{m}^2 $）として計算した. 
       （List, 1971）
       
       なお原典は, Leighly,J.B. の private comunication (1948) である. 
     \end{description}
     
%=========================================================================
%
\newpage

\section{地球放射}

   図4 は, 人工衛星により地球外で観測された
   地球放射のスペクトル分布の例である. 
   
   \begin{itemize}
     \item 波数 $850 \sim 1000 \mu \mbox{m}^{-1}$ の放射は
           雲がない場合には
           あまり大気の吸収を受けない. 
           このことから, 
           この波長帯におけるスペクトル分布から得られる
           相当黒体放射温度 $\mbox{T}_{\mbox{\small BB}}$ 
           が地上温度だと推定される. 
           
     \item 雲がある場合には
           波数 $850 \sim 1000 \mu \mbox{m}^{-1}$ の放射
           も吸収を受けている様子が見られる. 
   
     \item 波数 $600 \sim 800 \mu \mbox{m}^{-1}$ の放射は
           C$\mbox{O}_2$ による吸収・放射の影響を受けている
           \footnotemark[1]. 
     
             \footnotetext[1]{
                この波長帯におけるスペクトル分布から得られる
                相当黒体放射温度 $\mbox{T}_{\mbox{\small BB}}$ 
                はほぼ成層圏下部における温度に対応するらしい.}
    
     \item 波数 $600 \mu \mbox{m}^{-1}$ 以下の放射は
                $\mbox{H}_2$O による吸収・放射の影響を受けている. 
   
  \end{itemize}
  
% 図ときゃぷしょん始まり

  \begin{center}
  \Depsf[160mm]{fig-prohibited/housha-4.ps}
  \end{center}
  
  \begin{description}
    \item 
     図4 \ 衛星観測による地球放射のスペクトル分布. 
     Nimbus 4 に搭載された マイケルソン干渉計 により観測された
     赤外放射のスペクトルである. 
     横軸は波数（400-1600 $\mbox{cm}^{-1}$）である\footnotemark[2]. 
     縦軸の単位は, $\mbox{erg} \cdot \mbox{cm}^{-2} 
                 \mbox{ster}^{-1} / \mbox{cm}^{-1}$ である. 
     点線は, 地上が数字で示された温度で黒体放射していて, 
     かつ大気による吸収がないときに
     大気圏外で観測される放射スペクトルを示す. 
     （Hanel, {\em et al.}, 1972）
  
     \footnotetext[2]{
      図1, 2 に示した太陽放射のスペクトルは
      横軸が波長であったことに注意せよ. }
  
  \vspace{5mm}        
  ２つの図の観測時期, 地点は次の通りである.  

  \begin{description}
    \item （a）\  1970年 5月 5日, 12:01GMT に, 
                  $18.4^{\circ}$N, $5.6^{\circ}$W （北アフリカ）で
                  観測されたスペクトル.
    \item （c）\  1970年 5月 5日, 11:57GMT に, 
                  $4.2^{\circ}$N, $1.9^{\circ}$W （北アフリカ）で
                  観測されたスペクトル. 
                  波数 $850 \sim 1000 \mu \mbox{m}^{-1}$ の放射が
                  雲によって吸収されている様子が見える. 
  \end{description}

  \end{description}
   
%=====================================================================

\newpage
     
\section{アルベド}

    図5 は, 衛星観測に基づく, 惑星アルベドの緯度分布と
    地球が吸収した太陽短波放射と, 
    地球の射出した地球放射の緯度分布である. 
    
    \vspace{5mm}
    アルベドは, 低緯度で小さく, 高緯度で大きいことがわかる. 
    全球平均では, 約 0.3 である\footnotemark[1].
       \footnotetext[1]{`地球に関する基本的な数字' 参照}

% 図とキャプション
    

    \begin{center}
    \Depsf[90mm]{fig-prohibited/housha-5.ps}
    \end{center}
    \begin{description}
      \item 
      図5 \ アルベド, および放射収支の緯度分布. 
      下の図は惑星アルベドの緯度分布である. 
      縦軸の目盛は％である. 
      上の図は放射収支の緯度分布図である. 
      １分, 地表 $1\mbox{m}^2$ あたりの
      地球の吸収した太陽放射エネルギー, 
      および地球放射エネルギー量
      が示されている. 
      これらは, 
      1962-66 に
      衛星 TIROS IV, ESSA III, Nimbus II によって観測された
      データを元にして作成された. 
     （Vander Haal, and Suomi, 1971）
  \end{description}
    
   
%=======================================================================
\newpage

\section{放射収支の年変化}

図6 は, 衛星データの解析, およびモデルによる
入射太陽放射, 惑星アルベド, 太陽放射の地球による吸収, 
外向き長波放射, net の放射の年変化を示している\footnotemark[1]. 

   \footnotetext[1]{
      これより新しい同様の図として, 
      Hartmann, {\em et al.} (1986) \ がある. 
      これには Nimbus 7 のデータを解析したものも加わっている. 
      しかし,  Slingo (1982) \ に比べて, 
      外向き長波放射の図が抜けているのでここでは省いた. 
      また, Nimbus 7 のデータを解析したさらに詳しいものとしては, 
      Jacobowits, {\em et al.} (1984) \ があり, 
      南北半球別等々の図がある. 
      しかしこれにも外向き長波放射の図はない. }
      
  \begin{center}
  \Depsf[155mm]{fig-prohibited/housha-6.ps} 
  \end{center}   
\begin{description}
  \item 図6 \ 放射収支の年変化. a は入射太陽放射, b は惑星アルベド, 
        c は太陽放射の地球による吸収, d は外向き長波放射, 
        e は全放射収支（入射を正とする）の図である. 
        実線はモデルによる. 
        その他の点線は衛星観測の解析による. 
        （Slingo(1982)）
\end{description}
   
%=======================================================================
\newpage
\section{Nimbus 7 計画}

ここでは, 
人工衛星 Nimbus7 による観測計画
について記す. 

\subsection{Nimbus 7 の形}

図7 は Nimbus 7 の外観図である. 

\begin{center}
\Depsf[150mm]{fig-prohibited/housha-7.ps}
\end{center}
% 図とキャプション

\begin{description}
  \item 図7 \ Nimbus 7 の形. （Ardanuy {\em et al.}, 1984）
\end{description}


\subsection{Nimbus 7 の軌道}
 22 

Nimbus 7 は, 1978年10月24日に打ち上げられ, 
1990年現在でもまわっている. 
ただし, 今では電池は止まっていて, データはとっていない. 

\vspace{5mm}

Nimbus 7 はほぼ円形で（大体）太陽同期の極軌道を描く. 
地上から見て local time で （大体）12:00 に南から北へ向かい, 
（大体） 0:00 に北から南へ向かう. 
周期２時間弱（104分）で地球を１周し, 
１日に約１４周することになる. 
軌道高度は, 打ち上げ時は最高 953km, 最低 940.5km
であった\footnotemark[1]. 


  \footnotetext[1]{
       最高, 最低というのは, 
       楕円軌道のためで, 
       固体地球半径を加えるとそれぞれ長半径, 短半径になる. 
       なお, 軌道高度は打ち上げの後
       少し上昇して, 1979年5月の時点でそれぞれ高度 959, 944.5km
       になっている.}

\newpage
  
\subsection{Nimbus 7 計画について}

ここではNimbus 7 に関する計画例を2つ挙げる\footnotemark[1]. 
    
     \footnotetext[1]{
          これだけで全てではない.
          他に例えば, 
          高さ方向に積分して得られる
           $\mbox{O}_{3}$ の水平分布を測定する
          TOMS （the Total Ozon Mapping Spectrometer）実験や,   
          CZCS （Coastal Zone Color Scanner）実験, 
          SRUV 実験, SAMS 実験, SMMR 実験 がある. 
          この他にもあるかどうかは未調査である. }

\vspace{5mm}

 ● 全球放射収支観測計画 
          （ERB \ \ Earth Radiation Budget 実験）
          
          \vspace{5mm}
          地球の放射収支
           --- 太陽入射エネルギーと地球放射エネルギー --- 
          を測定する計画である. 
          様々な周波数の放射を測定できるように, 
          22個のチャンネルが用意されている. 
          各チャンネルは
          測定可能な周波数帯やフィルター, 
          視野角（FOV \ field of view）等が異なっている. 
          
          \vspace{5mm}
          太陽放射を計るチャンネルは10個（channel 1$\sim$10）ある.  
          地球放射（太陽放射の反射したものも含む）
          を計るチャンネルは12個（channel 11$\sim$22）あって, 
          そのうちの4個（channel 11$\sim$14）が
          視野角の広い wide field of view, 
          残りの8個（channel 15$\sim$22）が
          視野角が狭く scan のために用いられる
          narrow field of view である. 
          表1,2,3 が各々の特性を示している. 
          


\begin{center}
\Depsf[110mm]{fig-prohibited/housha-8.ps}
\end{center}
% 図とキャプション

\begin{description}
  \item 表1 \ 太陽放射測定用チャンネル特性. 
              各チャンネル毎の波長特性, フィルターの種類, 
              ノイズ特性（放射輝度に換算してある）を示す. 
              FOV は通常は $10^{\circ}$ である. 
              （Jacobowitz, Soule, {\em et al.}, 1984）
\end{description}

\newpage
\vspace{5mm}
\begin{center}
\Depsf[130mm]{fig-prohibited/housha-9.ps}
\end{center}

% 図とキャプション

\begin{description}
  \item 表2 \ 地球放射測定用WFOVチャンネル特性. 
              各チャンネル毎の波長特性, フィルターの種類, 
              推定放射輝度, 
              ノイズ特性（放射輝度に換算してある）を示す. 
              FOV は通常は $121^{\circ}$ である. 
              （Jacobowitz, Soule, {\em et al.}, 1984）
\end{description}



\begin{center}
\Depsf[130mm]{fig-prohibited/housha-10.ps}
\end{center}
% 図とキャプション

\begin{description}
  \item 表3 \ 地球放射測定用NFOVチャンネル特性. 
              各チャンネル毎の波長特性, フィルターの種類, 
              ノイズ特性（放射輝度に換算してある）, 
              NEP（不明）, 
              FOV を示す. 
              FOV については, 
              衛星から地上の真下の点と測定点を結ぶ向きが $0.25^{\circ}$,
              その垂直方向が $5.12^{\circ}$ であることを示す. 
              （Jacobowitz, Soule, {\em et al.}, 1984）
\end{description}


\newpage

● 近赤外成層圏測定計画 
          （LIMS \ \ 
             the Limb Infrared Monitor of the Stratosphere 実験）

          \vspace{5mm}
          
          1978年10月24日から1979年3月28日までなされた, 
          成層圏の高さ方向の構造
          （温度,  $\mbox{O}_{3}$ , $\mbox{H}_{2}$O , C$\mbox{O}_{2}$ , 
             $\mbox{NO}_{2}$ , $\mbox{HNO}_{3}$ 分布等.）
          を測定する計画である. 
          衛星から地球に引いた接線に沿って測定し, 
          鉛直方向には狭い視野角をもっているので
          高さ方向の分解能は優れている. 
          各気体毎の放射特性にあうように, 
          （少なくとも）6つのチャンネルが用意されている. 
          表4は各々のチャンネルの特性をあらわしている. 
                
                

\begin{center}
\Depsf[140mm]{fig-prohibited/housha-11.ps}
\end{center}
% 図とキャプション

\begin{description}
  \item 表4 \ LIMS のチャンネル特性. 
              対象とする気体, 波長特性, 視野角, 
              ノイズ特性（放射輝度に換算してある）をあらわす. 
              （Gille {\em et al.}, 1984）
\end{description}
                
%==========================================================================
\newpage
\section{参考文献}

\begin{description}


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             {\bf 89},
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             The Limb Infrared Monitor of the Stratosphere 
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             {\bf 89},
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       \item Jacobowits,H., Tighe.R.J., 
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             The Earth Radiation Bubget 
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             {\em J.Geopys.Res.},
             {\bf 89},
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       \item Vander Haal,T.H., V.Suomi, 1971 :
             Measurements of the Earth's Radiation Budget 
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             Part I: Extended Time and Space Means. 
             {\em J.Atmos.Soc.}, 
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       \item 会田 勝, 1982 :
             気象学のプロムナード8 \ 大気と放射過程. 
             東京堂出版, 
             280pp.

       \item 日本気象学会, 1982 : 
             気象研究ノート \ 第145号 \ 衛星資料の利用.
             日本気象学会, 
             381pp.
       
\end{description}

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\vspace{2em}

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{\Large \bf 謝辞}
\vspace{1em}

本稿は 1989 年から 1993 年に東京大学地球惑星物理学科で行なわれていた,
流体理論セミナーでのセミナーノートがもとになっている.
原作版は保坂征宏による「地球現象論」 (90/9/4) であり,
林祥介によって地球流体電脳倶楽部版「地球現象論」
として書き直された.
構成とデバッグに協力してくれたセミナー参加者のすべてにも
感謝しなければならない.

\end{document}











   
   
   
   
   




   
   
   






   
   
   
   


