地球温暖化とステファン・ボルツマン方程式

　地球温暖化を議論するとき、必ず出てくるのがステファン・ボルツマン方程式である。地球の表面温度は太陽の熱放射により地球に届く熱エネルギーEsと地球から外部への熱放射による熱エネルギーEeの平衡で成り立っていると考えられている。地球を宇宙空間に存在する黒体とみなせば、太陽放射により暖められた地球は宇宙空間に熱放射をしているので、その熱量がわかれば地球の地表温度Tがわかるはずで、これはステファン・ボルツマン方程式から求められている。地球温暖化問題はこの熱量の差を議論するものともいえるのであり、地球が完全な黒体であるときと、大気があるときの平均温度差が理想的な場合とどれだけずれているかが、地球温暖化を評価する基準となり、その原因を二酸化炭素増加や人口増加あるいは太陽活動説などに起因させるのが地球温暖化問題といえる。
(1)もし地球に大気がなくて完全な黒体である場合：
　　　単位面積当たりの地球が受ける太陽エネルギーEsは地球から宇宙空間への単位面積当たりのエネルギーEeに等しいので
　 Es=Ee　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)
が得られる。aは地球の平均反射率（アルベドともいう）、S0は地球受ける単位面積あたりの太陽エネルギー、σはステファン・ボルツマン定数、Tは地表の絶対温度と置くと
　　　　 (1－a)S0=σT4 (2)
が成り立つ。ここでa=0.3あるいは0.33とかが使われている。S0は342 W/m2で、σ=5.67×10-8 W/m2を代入すると
　　　　T=254 K = -19 ℃
と得られる。つまり、大気がないとした場合には地球表面の温度は約-19 ℃と通常では人が住めない気温となるのである。このような方法により、火星や月や水星などの惑星の表面温度を推定することができる。
(2)大気がある場合は、観測により地表付近の平均気温は288 Kであるので
　　　　288－254(K)=34 ℃
となり、この差が温室効果によるものと考えられている。
産業革命以来気温は約1.0 ℃高くなっているとの結果なので、単位あたりに受ける太陽エネルギーの増加として計算して求めW/m2をcal単位に変えると約 0.0111 cal/cm2・min熱量が増加しているとみなすことができる。34℃分の大半は水H2Oにより保存されているが、ここに、主に温室効果ガスの二酸化炭素CO2増加分が地球温暖化による気温上昇に関与していると考えられている。IPCCの報告では2015年のハワイでの観測ではCO2の濃度は400 ppmと発表されている。大気の成分は大半が窒素と酸素であるがCO2は0.03%であることはよく知られている。これはppmになおすと300 ppmであるから、400ppmがいかに膨大であるかうかがえる。今年2019年8月は日本全国35-39℃と暑かったが、パリやローマやロンドンなどヨーロッパも暑く、パリでは43℃と異常気象であった。この原因はCO2の毎年の人為的な増加分約35億トン(NASA)の影響と考えられている。このままでは、地球上にヒトや生物は住めなくなるだろう。