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大気海洋物質科学 I. 第1章:大気物質輸送. ー運動(力学)との対応からー. 大気中の物質の輸送を、大気の運動(これはこれまでの気象学であつかわれていた)と絡めて議論することが、物質輸送または物質循環論と思う:. 窒素、酸素については、気象学ではよく混ざっているとして1つの流体(風? )として取り扱う ー>運動の様子を議論 水は気象学のメインテーマ、少し話す程度 化学物質は幾つもあって、また観測結果もいっぱいあって、、、ですが、ここではこれまで行なわれた研究からの具体的物質として: 放射性物質が輸送の確認として使われている
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大気海洋物質科学I 第1章:大気物質輸送 ー運動(力学)との対応からー 大気中の物質の輸送を、大気の運動(これはこれまでの気象学であつかわれていた)と絡めて議論することが、物質輸送または物質循環論と思う: 窒素、酸素については、気象学ではよく混ざっているとして1つの流体(風?)として取り扱う ー>運動の様子を議論 水は気象学のメインテーマ、少し話す程度 化学物質は幾つもあって、また観測結果もいっぱいあって、、、ですが、ここではこれまで行なわれた研究からの具体的物質として: 放射性物質が輸送の確認として使われている 次に温暖化物質として重要である、寿命の長いCH4 比較的寿命の長い物質であるCO 寿命の短いOHの分布(太陽放射の当たり方で決まるので、循環とはあまり関係ないが) 最後に大気汚染の代表としてのオゾンを例として議論をする また、ここでは全球的物質輸送の問題をあつかう 大気中の成分 大気微量成分の平均的な高度分布
輸送(運動)にからむ気象の基礎方程式を書いておきます. 輸送(運動)にからむ気象の基礎方程式を書いておきます. オゾンなどの化学成分の輸送としては、成分の連続の式が増えていく 右図から想像されるように、場の量の変化の方程式をつかう 1−1:方程式 連続の方程式(大気全体) (1) 運動方程式(東西、南北、鉛直方向)は種々の近似をして以下のよう (2) 2003年9月11日のオゾンホール(全オゾンの分布) (3) 現状の、全球をあつかう大気大循環モデル(GCM)では静力学平衡になっている (4) 理想気体(大気)の状態方程式、 R = 287 J / kg / K (5) 熱力学の方程式: (6) cpは定圧比熱 ( = 1004 J / kg / K ) 断熱運動では温位が保存される。 変形して-> 水蒸気の式
個々の大気中物質(例えばオゾン)の体積混合比 について 例えば、Muller and Brasseur(1995)から 1−2:化学物質輸送 混合比が保存するように運動している式となる(分子拡散は無視) この式に、化学変化として右辺に生成/消滅の項を付け加えることで、物質循環を議論すればいいであろう。 輸送問題としての1つの方法論: 直接表現できるスケールの運動とそれからのずれの運動が、分離されてよく議論される(例えば、通常のGCMでは、対流は直接表現されていない)。 のような形を仮定して、表現できる大きなスケールの運動(平均場)とずれ(擾乱とよぶ)を区別する。上式に代入して、平均場の変動の式を導くと、 のような式が導かれる。この右辺の擾乱の積の項をどのように評価するか? が問題ごとに変わる; 一番簡単な例は分子拡散をまねて、乱流による輸送を拡散の形に仮定するものがある。 結果的に、ある場所の物質の変化の式は オイラー的時間変化 = 輸送の詳細 +化学過程
全球的に: 前ページの方法論を全球的な物質輸送の問題に適用すると、以下のようになるであろうか。 (小規模現象の輸送を扱う時は対流まで陽に表現で、乱流輸送をパラメータで表現か) オイラー的その場所の物質変化=輸送+化学過程で 右辺の輸送としてはスケールで分けて ー> 大循環 + スケール小の対流など + 乱流輸送 大循環による輸送はたとえば、大循環モデル結果の風を用いたり、 ECMWFデータのように、モデルに観測データを同化して求めたものでもいいであろう。 例:我々のところで物質循環に用いている 大気大循環モデルは (気候場とcoupleしているので、これを今のところ利用している) T422.8x2.8程度の分解能の粗いモデルである。(約250km ) 低気圧などは、まあ分解可能であろう; 数千キロだから直接表現 惑星波動これもいい 10000km 上記の運動は表現可能 大循環モデルで explicit にもとめるー>その風でモノが流れる メソ現象は表現が出来ていない T106では100kmの分解能になる メソα 現象があらわれてくる 化学気候モデルにはほとんど未使用 ECMWFデータのような風を用いた輸送モデルでは、最近T106くらいが使われるようになった 対流(別の項で) 対流時間 数時間でおこる ー>どのように表現するか? 乱流輸送 乱流理論を使いパラメータ表現、ここでは議論しない
エネルギーの流れ:全球平均的なもの 図:太陽放射= 342-107 W/m2 235W/m2 赤外放射 67:大気直接加熱(太陽による)ー>乖離 潜熱(78)、顕熱(24)輸送:上下対流ー>別節 66: 表面での赤外net (全球平均的な話しはこの程度で) 1ー3:大循環による輸送 大気の大循環は太陽放射と地球大気赤外放射の緯度の違いによって生成されるであろう。 熱力学の式から眺めると、 右辺の項の緯度差により、左辺の中の流れが生まれるのであろう。 ただし、右図は対流などによる大気加熱も考慮された非断熱加熱である。 ー>非線形システムなので、数値モデルになるのだろう 非断熱加熱の緯度高度断面図
大循環の概略: ー>そのようすを説明するのが大気大循環論(熱輸送のみでなく、角運動量、水の循環も含めて)だろう それぞれがconsistentなように決まる それぞれの保存則があって (角運動量、エネルギー、水) <ーすべてはお互いに、例えば速度場などを通じて関係している。 ー> その中で:赤道域と中高緯度の運動の振舞いが異なる。 赤道域は水平収束的なものが特色のよう 中高緯度は水平の渦が特色のよう (気象学で詳しく語られている) 定性的な大循環のようす <ー 月平均された地表面気圧と風の概要
大循環の概略(続) 熱帯域で上昇流(場所は季節で移動)、30度あたりは下降流なるHadley循環 中緯度高低気圧の様子 Hadley 循環とRossby循環(傾圧波動が卓越) 全体の枠組みが矛盾なく決まる +Walker循環のように熱帯の東西移流や 中緯度の惑星波動による水平移流など + 対流の集合 東西に平均した子午面循環 対流、等温位面、流体粒子の流れの模型図
大循環の概略(水) 水的には赤道域の水蒸気が極方向へ移流される? 対流が決定的か ー普通の気象での物質循環にからむー 降雨、蒸発、水蒸気輸送の緯度変化 全球の降雨のようす、北半球冬 東西に平均した水蒸気の南北高度分布(g/kg)
Emanuel and Pierrehumbert,1996, NASA ASI : 315Kと330Kの等温位面上の水平的流体粒子の動き、初期条件:3月1日から10日たったあと。 大きなスケールの運動による輸送はたとえば、大循環モデルを用いた風や、ECMWFデータ(モデルに観測データを同化して求めたもの)の風で表現されるであろう。 1−4:オイラーとラグランジュ オイラー的な方法では を直接積分することになる。 例:GCMで再現された6月での水蒸気fluxと降雨(水蒸気は大循環で流されている。オイラーの式を解いた結果。ただし、降雨の方は対流のパラメータが導入されている)、Kawatani and Takahashi, 2003, J. M. S. J. 等温位面:成層圏-->対流圏にcross 別方:流れにのって、空気粒子を追いかけてみる、Lagrange的方法がある。 350 320
30日後 傾圧波動にともなう流体粒子の鉛直的動きをみてみよう:木田, 1977, J. M. S. J. (水は入っていない) 10日後 200mb くるくる回っている 10日後 200mb高度の、様々な緯度にモノをおいた: 全体的には下降している(重心の運動)、60度あたりにおいたモノはすこし上昇(等温位のせいか?) また45-60度あたりのは南北に大きく広がっている、これは傾圧波動による移流のせいである。 だいたい等温位面をうごいている、断熱だと温位が一定なので、その上を動く(前ページ)。 20日後 オイラー平均子午面循環
下はある期間のCOの濃度分布、右図はどこからきたかの起源の場所を決めるため、粒子をLagrange的にみたもの下はある期間のCOの濃度分布、右図はどこからきたかの起源の場所を決めるため、粒子をLagrange的にみたもの どこから来たかを求める: Blake et al. 高度別 9.2km 1.5km 4.2km Aircraftによる観測、96年、8月ー10月の観測、PEM-Tropics A 10日まえまで;いろいろな所から来ており、複雑な起源となっている
1−5:大気大循環モデルの中の対流による輸送について1−5:大気大循環モデルの中の対流による輸送について 平均的な流れによるものに加えて、 の右辺を評価することである。 対流は細かいスケールでおこっている。その対流は水のみでなく、微量成分の鉛直輸送で非常に重要である。 1つのパラメータ例: 図は2次元の対流が表現可能なモデルによる、DMS(硫化ジメチル、(CH3)2S)の鉛直分布を示す。中層の多いところは対流により輸送されていることを示す。Wang and Prinn, 1998, JGR Mass fluxを と定義する。 質量flux だからM≡ -ω/g〜ρw Yanai et al. (1973) これを2つにわける(雲によるものと周りの平均) は積雲によるMass fluxである。 はまわり(環境)のMass fluxである。 水平面での雲のFractionを とすると(対流雲の部分でこれは小さい値とする) ー> GCMでは対流の効果をパラメータとして扱っている。 すなわち、 と表される。
結果として、 物質の大きな領域の平均は 続: 今の場合、平均的な物質変動が普通のGCMでは表現できない雲対流によるMass fluxによる移流できまる。 で、 は小さいから、 (環境の値)とおいてよいであろう。 乾燥静的エネルギー s= cpT+gzについては、 また、 だろうから となる。だから のような形になる。右辺の1項は蒸発の項である。 はcondensation は蒸発 水蒸気については 次に雲のバランスを考える:(実際は個々の雲であるが区別しない、1つを代表として) 雲の式を使って形をかえる 雲についての質量保存から 蒸発は と仮定すれている。ここで は雲水量である。 大問題は雲対流のMass fluxを如何にきめるかであるが、 → 例えば、Arakawa and Schubert(1974)を参照してください。 → あとで、オゾンを例とした結果を述べます。 はエントレインメント率、 はデトレインメント率と呼ばれる。 また、雲にともなう物質の保存から
Muller and Brasseur, 1995, JGR 1−6:輸送モデルの確認としての放射性物質等 鉛直輸送の確認:鉛直拡散と対流輸送(パラメータ化は別方法)の効果が入っている。 大規模場による輸送(ECMWFデータから)および水平拡散 ー> 南北輸送の確認 ITCZ, 半球間の交換時間は1.1年と書いてある Kr85(寿命15年)の表面での緯度分布(dashが大西洋観測、実線がモデル結果(30W)):北半球が多く、南半球はすくない 夏の大陸上のRadon222(半減期3.2日)の鉛直分布
東西平均の東西風の様子<ー南北の温度差と温度風の関係で東西平均の東西風の様子<ー南北の温度差と温度風の関係で 東西輸送: 上層の西風により物質が東に流されている様子、7月平均、38Nにおける222Rn 分布 JJA(夏)平均の、東西風の緯度高度図 Jacob and Prather, 1990, Tellus、気象場はGISS-GCMが使われている(夏のアメリカ西大陸上dry convection が大事と書いてある) JJA、200hPaでの東西風分布
850hPa 南北両半球の交換について 地表面気圧と対応した流れ 1月に東西一様な仮想的物質をまぶし、赤道域に南北勾配を与え、その後、流れによってどのように物質分布が変動するかをみたもの、1月のみ、Taguchi, 1993, JMSJ その後、6月と12 月でどんなふうに広がるかをみたもの、勾配の大きいところが移動するが、いつまでも存在している、半球交換時間は1年と評価している。
対流圏の中で 対流を伴うHadley循環と傾圧波動なるものがkeyに働いて おり、それに化学過程などが絡む問題 -> 物がどのように存在 観測が行われている <ー> モデルによる説明研究 物質はいっぱいあって、、、 ここでは比較的多い物質を主に議論する 1−7:化学物質の全球分布 1:メタンについて CH4は0.5 W/m2の放射強制力 CO2は1.5 Hydrocarbon=0.5 indirect=-1.5 対流圏オゾンも0.5W/m2 ー>ここでは物質分布について 対流圏微量成分 IPCC 2001 メタンの反応例: CH4 + OH -> CH3 + H2O CH3 + O2 + M -> CH3O2 + MCH3O2メチルぺルオキシド CH3O2 + NO -> CH3O + NO2CH3O メトキシ CH3O + O2 -> HCHO + HO2CH2O ホルムアルデヒド NO + HO2 -> NO2 + OH NO2 + hv -> O + NO x2 O + O2 + M -> O3 + M x2 ---------- CH4 + 4O2 + hv -> 2O3 + HCHO + H2O
他のも含めて全体emissionとして 状況変化でsourceが変わりー>分布という問題か CH4 emission 485 Tg/y photo destruction -397 (計算結果) deposition -8.5 --------------------------------------------------------- 79 Tg/y -> 1.7% /y 程度の増加 ソースとしてのメタンemission: emission 内訳(かなり幅があり、この程度の)Tg/y : 大気の物理化学、小川から 東西に平均したemission なかなか難しい、、ー>逆問題からの評価 Muller and Brasseur, 1995, JGR
メタン分布(モデルの結果): 地表のCH4: 6月 Muller and Brasseur(1995) 2ppmv : 北アジア むしろインドにピーク 最大 rice paddies, cattle ヨーロッパ、東アメリカ coal mining, gas leak, waste disposal * sourceの影響が大きい 別のモデルである、NCAR気候モデルをベースにしたMOZARTのメタン (South Poleからのずれ) T=180days, sigma=0.98 MOZARTのメタン放出 Hauglustaine et al., 1998, JGR Brasseur et al., 1998, JGR
●11年とMBに書いてあるが、メタンの大雑把な寿命見積もり:●11年とMBに書いてあるが、メタンの大雑把な寿命見積もり: CH4 + OH -> CH3 + H2O 反応定数K=3x10(-12)xexp(-1820/T)=3x10(-12)x2x10(-3)=6x10(-15) 10(6)x6x10(-15)=6x10(-9) : OH量 x 300Kの反応定数 = 1/s 1/(6x10(-9))=1/6 x 10(9)=2x10(8)/3x10(7)= 10年近い Sudo et al., 2002, JGRでは 8年 解離時間が長いので、ソースとあとは運動できまる。 補足: ●CH4の南北輸送の大雑把な見積もり Hauglustaine et al. (1998)の図 のような形を仮定する South Poleからのずれ (中緯度の渦による輸送が拡散のかたちをとると仮定) 拡散係数Kとして MBでは K=5x10(6) cgs=5x10(10) ような値が使われている T(ー1)=5x10(6)/(5x10(6))2 時間スケール=5x10(6)=50日 このような値が、半球内での南北交換の値と思われる? 両半球の交換はさらに時間が ー> Hadleyの移動が絡むから、年のorderになるのだろう
CO反応について CO + OH -> CO2 + H H + O2 + M -> HO2 + M HO2ヒドロぺルオキシド NO + HO2 -> NO2 + OH NO2 + hv -> O + NO O + O2 + M -> O3 + M ----------------------------------- CO + hv + 2O2 -> O3 + CO2 2:COについて CO emission分布、7月: Brasseur et al., 1998 MAZARTの見積もり(大気全体) 光化学破壊:1730, dry=190 net sink=1920 輸送と化学寿命は同じ程度か CO+OH (k=10(-13))x10(6)=10(-7) 100日程度 chemical 生成: (例:メタン酸化ー>ホルムアルデヒドー>CO) CH2O + hν ----> H + CHO (≦350nm) H + O2+M ----> HO2 + M CHO + O2 -----> CO + HO2 ---------- CH2O + 2O2 ----> CO + 2HO2 MAZARTの見積もりでは emission: 1219 Tg-CO/yr 光化学生成:881 ->total source :2100 Sudo et al., 2002, JGRでは emission: 1227 Tg-CO/yr 光化学生成:1574 ->total source :2801 破壊:2610
時間変化:冬は破壊されないから多い、春に最大時間変化:冬は破壊されないから多い、春に最大 結果としてのCO分布: ○は観測、 □がモデル 南半球は9、10月ころ最大 1月の表面のCO分布 7月のCO CO 南北分布 子午面断面図をみて 工業のある所ー source+化学 熱帯 ー バイオマスの生成 熱帯域で大きな量を示している。 TROPOZ II 1991年1月(アメリカ西海岸)観測とMOZART結果
1994年の10月の観測での多いCO分布(MAPS)、この年はENSOがあり、バイオマスバーニングが多かったよう1994年の10月の観測での多いCO分布(MAPS)、この年はENSOがあり、バイオマスバーニングが多かったよう CO分布の別例: 一方のモデル結果は、この場合少ないCOを再現している。 ー>地表からのバイオマスバーニングを変えて実験してみると? 3-10km(500mbがpeak)のCO 工業化で、どんなふうになっているか? Crutzen and Zimmermann, 1991, Tellus 昔の状況で計算して、どのように分布が異なるかで調べると preindustrial 1980想定 但し、バイオマス量に依存するので、定量化は難しいであろう 中高緯度で多くなっている
Shindell et al. 現状のモデルのCO結果:世界のいくつものモデルを集めて、モデルのperformanceをみるー>さらに予測 衛星観測 モデル平均 上図はMOPITTと呼ばれる衛星観測の結果で2000年の4月と10月の500hPaでの分布、下図は多くのモデルの平均で見積もられたCO分布。モデルの北半球でのunderestimateが目立つ -> COのemissionがロシアで増えているのでは?と言われている。
3: OHについて OHは少ない量ではあるが、これまでみたように、 CH4破壊、CO破壊などで非常に重要な物質であるので、これを見ておこう。 東西平均したOH分布、7月 O3 + hν(310nm以下)-> O(1D) + O2 H2O + O(1D) -> 2OH モデル結果:地表のOH、7月3日、6GMT H2Oがメインのソースであり、光解離で作られるので、日のあたり具合でほとんど決まっているよう。
補足: CHASERのNOXについて 昼間のNOの観測との比較
1−8:オゾンについて 成層圏からの流入 7月の地表オゾンの結果例:主に化学反応により決まる 対流圏オゾン化学の略図 オゾン生成の1例: CH4 + OH -> CH3 + H2O CH3 + O2 + M -> CH3O2 + M CH3O2 + NO -> CH3O + NO2 CH3O + O2 -> HCHO + HO2 NO + HO2 -> NO2 + OH NO2 + hv -> O + NO x2 O + O2 + M -> O3 + M x2 ---------- CH4 + 4O2 + hv -> 2O3 + HCHO + H2O 1月の地表オゾン
成層圏からのオゾン流入 左図は1つのイベント例であるが、このようなものの集積の結果として、 中緯度高低気圧の様子 MOZARTの結果、7月で東西平均したもの、成層圏から流入しているいるようにみえる MOZART:成層圏から、391Tg/yでnet生成=507Tg/y CHASER:成層圏から593Tg/yでnet生成が397Tg/y 対流圏オゾン量(DU単位)の分布図
ENSOにともなうオゾン偏差の分布: Sudo and Takahashi, 2002, GRL オゾン偏差の経度高度図と、下図の色がmass flux anomaly(赤が上向き)、一方、矢羽根は大規模場の流れ偏差、 Mass Flux も重要な役割を果たしている。 1997年、ENSO時におけるオゾンの偏差(’96からの差)、上は衛星データから、下は化学モデルの結果、ただし、モデルでの微量成分の放出は96,97は同じものを使っている。 輸送の効果により、インドネシア域のオゾン増加の半分くらいは説明できる。あとの半分はバイオマスバーニングの変化であろう? 個々の問題はいっぱいあるが、、、、
NOx量がへるとオゾンがへるであろう例: WAF-Chem モデルによる評価: 衛星観測による、NOxの最近の減少傾向(下図);ほとんどその場所のemissionによって決まっているのかな?この問題は全球輸送とは直接は関わらないよう。 Nox(上), O3(下)、色は減少の度合い
準地衡風方程式でなる演算子が出てきた。水平と鉛直が同じようにバランスすると、水平スケールが与えられると、鉛直スケールとして、となるが、これをRossbyの深さと呼ぶ。その例の論文を見てみる。準地衡風方程式でなる演算子が出てきた。水平と鉛直が同じようにバランスすると、水平スケールが与えられると、鉛直スケールとして、となるが、これをRossbyの深さと呼ぶ。その例の論文を見てみる。 オゾンとチベット域テイラーカラム:Rossby Heightの適用 1997-2004年の10月と11月の平均的な全オゾン量の分布(TOMS) こんな感じでしょうか? composite Map:オゾン濃度の高いところが、チベットの南の縁に存在 ー>チベット上でのTaylor カラムの現れと言われている。 10月26日、10月28日、11月1日、2004年の全オゾン量の時間変化 比較的深い?