空気の不思議

気象にはウソや間違えが多いと思います放射冷却はウソの典型ですね気温は地上1.5mの高さで観測していますが地表面の温度は地上1.5mの湿球温度という温度になります放射冷却は放射対流モデルで温室効果の根拠にされるデタラメぶりです原発が絡んでいますね温室効果で原発がクリーンエネルギーに化ける温室効果で温暖化させているエネルギーを説明できるか？温暖化させているのは先進国の過剰なエネルギーですウソツキは誰だ

2011年12月28日水曜日

ステファン・ボルツマンの法則と放射冷却

気象の話とは関係ありませんが
「ニーサ（NISA）入門　ニーサ（NISA)な話」
http://kumotorinotama.blogspot.jp/　を始めました。１００万の運用益に税金がかからないと言うお話です。
実際にリーマンショック前に投資をしていたら？具体的に考えました。

こんな難しい話を私が解説できるのか？とてもできないと思います。

冷や汗がでます。

しかし、この法則を根拠に放射冷却とか温室効果が市民権を得ているのも事実です。

ステファン・ボルツマンの法則はおそらく熱力学第2法則から導かれたのにその第2法則に反する放射冷却や温室効果の根拠にされています。

気象学者のいいかげんさが招いた結果です。

ステファンボルツマンの法則は

「物質が放射している分、空間から放射を受けている。」

のが前提となっています。

恥をかくのは慣れていますので放射について考えたいと思います。

ステファン・ボルツマンの法則　（Wikipedia）

の説明では

空洞内のエネルギー密度は、全振動数について積分することにより求められ

単位体積当たりのエネルギーは

としています。

物質の表面が放射していると考えている方は違和感を覚えるのではないでしょうか？

これをエネルギー密度と放射強度の関係式

に代入し、

とおくと、

I

= σ T 4

を得る。

となっています。

Wikipediaの説明では物質はでてこないのです。確かめてみてくだい。

この説明では空洞中のエネルギー密度を計算していますので、空洞が放射していることになります。

それを、私たちは「物質が放射をしている。」と暗記しています。

どうして空洞の放射が、物質が放射していることになるのか？

確かに、物質は放射していることになるみたいなのですが、私たちはこのあたりの知識と言うか理解が足りないようです。

私にこうしたことを説明できるとは思いませんので、
朝永先生の権威を借りて
イメージを作ってみたいと思います。

朝永振一郎先生の量子力学1を覗きます。

量子力学１　著者　朝永　振一郎　：みすず書房

朝永先生は日本人としては2人目にノーベル賞を取ったかたです。

最近は知らない人が増えているようですが・・・。　・；

若い人ならしかたないが・・・　
「物理学とはなんだろうか」は必読書だと思います。岩波新書とみすず書房から出版されています。先生最後の著書だと思います。

ここで関係するのは１章です。

1章の目次は

第1章エネルギー量子の発見

　１　事のおこり　

　２　比熱の理論

　　　（省略）

　3　「真空」の比熱

　4　Rayleigh-Jeansの公式

　5　Wienの「ずれ」法則

　　（省略）

　　（iii） Stefan-Boltzmannの法則

　　（省略）

　6　Wienの公式

　7　Planckの公式

　8　エネルギー量子

　9　比熱の量子論

となっています。

さて、

１　事のおこり

P2に次の記述があります。

空洞輻射の問題とは一口に言えばこうである．ある温度に熱せられた物体はどういう色の光を出すであろうか.温度があがるにつれて次第に白い色を呈するようになる.（省略）温度Tの壁で囲まれた室（空洞）があったとする.そうすると,熱的なつり合いの状態において,この空洞中にはどんなスペクトルの光が存在するであろうか．

下線は私が引きました。

先生の言葉を解釈するのは怖いのですが、熱的なつり合い状態とは熱平衡状態のことだと思います。

箱とその空間を考えて箱と空間が熱平衡にあると仮定して論を進めていると思います。

何もない空間と箱が熱平衡状態になるとはどういうことでしょうか？

先生は理想気体などの物質の比熱を説明されたのち　3　「真空」の比熱　で次のように解説しています。

P11

この空洞の中は文字どおりからっぽであって物質は何もはいっていないけれども,この中には光が満ちていることになるので,やはり,不規則複雑な電気振動のエネルギーとして,この空洞は熱エネルギーをもつことができ,従って比熱というものが考えられる．

下線は私が引きました

私のイメージなど不正確でしょうが・・・

理想気体が不規則複雑な運動していて、その運動エネルギーの平均値が温度になることはご存じと思います。

そして、その理想気体を1度上げるのに必要なエネルギーが比熱となります。

確かに空洞でも光が存在すれば光のエネルギーは当然考えられる。

空洞の中の光のエネルギーを観測して求めることは可能です。

すこしややっこしですが、朝永先生の説明によると、壁を１度温度を上げるエネルギーとは別枠で空洞の温度を1度あげるのにエネルギーが必要になると思います。

ちょっとびっくりするかもしれませんが壁の質量を変えず空洞を大きくすれば、空洞が大きくなった分のエネルギーが必要になると言うことです。

量子力学１に戻ります。

先生は論をすすめ、空洞の比熱は古典論をそのまま適用すると空洞の比熱は無限大になってしまうことを説明されます。もちろん実際に空洞の比熱は有限です。

空洞の中の温度は理想気体のように粒子の平均運動エネルギーだと言うふうにはいかないようです。

P12

しかし、もちろん実際の空洞のエネルギーは有限である．実験によれば空洞のエネルギーと温度との間にStefan（シュテファン）の法則

U＝σT＾４

が成立している．定数σはStefanの測定によって,空洞の体積が１ｃｍ＾３である場合に,σ＝7.64×10＾－23エルグ／（ｃｍ＾3・度＾4）であることが分かっている

シュテファンさんはプランクの法則から導出される式

を実験で求めたわけです。

先生はつづけて
P12

これからみて,電気信号の各自由度に分配されているエネルギーは,等分配の法則に従っていなくて,それよりもはるかに少ないことがわかる．この事実があればこそ,前の説でガス（tama注　理想気体のこと）や固体の比熱を計算するのに、その分子間に存在する電気振動を無視しても一応実験と合う結果が得られたのである．このことは,前節の比熱測定の実験における程度の温度では、電気振動にはほとんどエネルギーが分配されていないことを示す．

下線は私がひきました。

さて私の解釈です。

比熱測定の実験における程度の温度で、

電気振動にはほとんどエネルギーが分配されないのは、

空洞の熱容量＝比熱が物質と比べものすごく小さいためなのだ。
と解釈しました。

壁と空洞はそれぞれの熱容量をもっています。

そして壁（＝物質）が放射していると解釈ができるのは

壁と空洞は「熱的なつり合い」＝「熱平衡状態」にあることが前提条件なのです。

空洞がT^4に比例する電気振動（電磁波）を放射するなら壁も放射していなければ熱的なつり合い状態にならないと解釈されます。

これが「物質が放射する」との根拠になっているのだと思います。

空間もその温度の４乗に比例する電磁波を放射していると考えるしかないと思います。

ところで
放射冷却という気象用語がありますが、

晴れて風のない夜でもステファン・ボルツマンの法則に従えば、

地表が赤外線を放射してもすぐ上の空間からほとんど同じ量と周波数分布の赤外線が飛び込んでくることになります。

また、もともと空気成分の運動エネルギーは空間の電気振動エネルギーに比べ桁違いに大きく、空間が「多少冷えた」＝「少し熱平衡状態からずれた」からと言って空気の温度が下がることは事実上ありえません。

放射冷却は間違えです。

百の議論より１つの観測事実です。

筑波山の放射冷却と地表温

http://takanosunotama.blogspot.com/2011/10/blog-post_09.html

筑波山の４つ目の温度　湿球温度

http://takanosunotama.blogspot.com/2011/10/blog-post_11.html

をご覧ください、筑波山の地表温度は湿球温度に落ち着くのです。
湿度100％なら湿球温度は気温と同じになりますが、100％以下なら気温より低くなります。

湿球温度については

温位エマグラムと湿球温度　－雨雪判別－　をご覧ください。

。

オーブ写真集

上の写真はオーブと呼ばれるものです。水辺や1500程度の山中で夜に写真を取るとよく写ります。
肉眼では見えません。
私はこれを雲粒だと思っています。

大気中にオーブのように目に見えない雲粒があれば、その温度は湿球温度になります。

筑波山の地表は午前中、日照で暖められますが、日照あっても午後は目に見えない雲粒（オーブ）が落ちてきて冷やされ始め、日照が弱くなる夕方には湿球温度に落ち着きます。

空気が乾燥していれば湿球温度がかなり低くなります。
雲粒の温度はかなり低いということで、次の朝、目に見えない雲粒が地表面に溜り地表の温度が低くなると考えられます。

そして、雲粒は地表面だけでなく空気も冷やすことになると考えられます。

放射で地表面の温度が下がっても、その地表面は空気を冷やせません。

なぜなら、空気は断熱材でもあるわけです。

もし、地表が熱伝導で1.5ｍの上の空気を0℃にしたなら熱伝導度の高い地中は地下1.5ｍ以上0℃になってしまいます。

放射冷却は物理的にはメチャメチャな概念なのです。

付録
計算の嫌いな方は結論だけ目を通して下さい。

ステファンの法則から、1㎥の空間の温度を1℃上げるのに必要なエネルギーを計算します。

20℃から21℃まで上げるエネルギーは次のようになります。

U（21）－U（20）＝σ（273.2＋21）^４×１０^６－σ（273.2＋20）^４×１０^６

＝σ（7491532597.2496－7390194419.7376）×10＾6

＝σ（101338177.512）×10＾6=σ×10＾14

＝7.6×10＾－9（erg）

=7.6 ×10＾－16（J）

１モルのCO２が1気圧、0℃の中にあるとするとその体積は大体次のようになります。

22.4 × 10 ^ ―3 (ｍ³).

１ｍ³の100分の2と言ったところでしょうか

しかし、体積を変えずに1℃上げるエネルギーは.

28.93(J)

です。.

結論
空間の温度がステファンボルツマンの法則にしたがっているなら、赤外線が空気を温めるなど不可能です。

暖めるには電子レンジのようにステファンボルツマンの法則から逸脱した大量の赤外線が必要だと言うことです。

温室効果は大量の赤外線を前提にしていませんから、温暖化させるエネルギー源を説明できません。
温室効果も物理的にはメチャメチャな概念なのです。

＊＊＊＊＊＊

「放射冷却」と呼ばれる現象については「放射冷却のメカニズム」を参考にして下さい。
「温室効果」と呼ばれる現象については「エネルギーからみた地球温暖化問題」を参考にしてください。
悲しいかな、「気象の常識は科学の非常識」と言ったところでしょうか・；

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2011年12月26日月曜日

輪島の平均値による温位エマグラムと湿球温度

館野の平均値を見ましたが、輪島もみておきましょう。

　館野は下層寒気の様子が見たくて最低気温が出る明け方に近い09時を利用しました。

　今回は湿球温度の傾きにも焦点を当てたいと思います。データは日射の影響を受けない21時を使用すべきですが準備不足で09時を使用します。スイマセン。そのうち書きなおします。

１．データの範囲

データは相対湿度が観測されたものを利用しています。

上空になるとたまたま相対湿度が観測されたものになり統計的な意味がなくなってしまいます。

1月の高さ毎のデータ数をみると

8000メートルを超えるとほとんど観測されていません。

高さの上限を8000メートルとします。

　成層圏に興味のあるかたには申し訳ありませんが・・・

各要素のレンジ幅は同じになることを基本とします。

　資料は気象庁のホームページから得ました。

　期間は1989~2010年で09時に観測されたものです。

２．温位エマグラム

１、２月は2~3000メートル等相当温位になっている。温位は地表付近で低くはなっているが極端な低さではなさそうです。日中になれば等温位になって海上の水蒸気が2~3000メートルまでかき混ざりやすいのかもしれません。

下層雲について1、2月は1~3000メートルのどこでできてもおかしくないようにおもいます。水蒸気を含めた系と考え3000メートルまで等エントロピーだと考えるべきかもしれません。その中で1月は1000メートルでできやすそうです。

もっと、下層雲ができやすい構造を期待していたのですが・・

物性的に考察が進めば、例えばｄ（e／P）が大きいと雲ができやすいとかあるのかもしれません。

3月は館野程ではないですが500メートルほどの冷気が溜まりやすいようです。

ただ、冷気は弱く湿球温度には表れていませんでした。（冷気と寒気は多分同じ意味で使ってしまっています。すみません。）

1000メートル以下の相当温位の出っ張りから、雲は1~2000メートルにかけてできやすいのだとおもいます。

4月は冬の終わりで春、天気回復のイメージ1000メートル位で積雲がポカポカ浮かぶのかな？

1000メートル以上の温位の傾きは急なイメージ（個人的な経験則）まだ日中の最高気温あがりにくいと思います。

う～ん、考えると館野もそうだが梅雨の影響がみられない？

梅雨は鉛直ではなく水平方向の現象だと言うことか？そういえば前線の位置はよく変わる。

8月は自由対流高度があらわれる。もっと低ければスコールになると思います。

鉛直方向には混ざりにくい構造が続く。地表付近にエネルギーが溜まり混ざったときはシビア（激しい）現象になる考えるべきでしょう。

時々、シビア現象が起こるからこのようなグラフになると思います。

10月は地表付近に弱い冷気が溜まりやすそう。冷夏のデータを集めこうしたデータを整理すべきですね。新潟地方気象台さんよろしくお願いします。

9,10月1000メートル位に積雲が浮かぶイメージです。

11月は1~2000メートルどこでできてもよさそうで下層雲は厚くなる傾向と解釈すべきなのか？

12月は3000メートルまでどこで雲ができてもよさそう。（水蒸気を含めた系と考えれば等エントロピー？）

そういえば、私は700hPaの寒気で雷を予想していた。（今やっているのかなあ？）

そろそろ、雷の季節。

統計を取ったデータを見たら2900メートルの平均気圧が703hPaでした。

なるほど、850－700hPa間が不安定なら700hPaまでの空気全部が上昇してもよいわけだ。私のヤマカンは当たっていた。と自画自賛でスイマセン。・・；

現場で温位エアグラム見ていてくれているのだろうな？心配だなあ。

3．P/e

P/eは大気成分とギブスのパラドックスで説明したように水蒸気が理想気体なら高さによらず一定になる値でした。

余計なことですが準静的な断熱変化で不変量となるからエントロピーの親戚かもしれません。

しかしレンジ幅がひろく

このように、同じレンジを使うと1月は上空の様子が、8月は地表の様子が分からなくなります。

そこで、P／eの代わりにｌｎ（P／e）を使うことにします。

ｌｎがついたので統計力学をご存じの方は余計にエントロピーを連想されるのではないでしょうか？

エントロピーとみなすと１~3月は1000メートル以下でエントロピーの傾きは小さい。

1000メートルかやや低い所まで水蒸気は混合しやすいとみるにはまだ早いか・・・

でも日々の事例をみて感覚を磨く材料にはなりそうです。

理論的根拠がないから自分でやるしかないけど、たいしたプログラムじゃない、私でも作れそう。

4月は温位エマグラムからも鉛直的には安定した天気、混合しにくい状態と考えてよいと思います。

5,6は地上付近からほぼ直線的に大きくなる。4月と同じで鉛直的に混ざりにくいのだろう。

7,8月は地上付近になると傾きが小さくなる。また値が小さいとは水蒸気圧が高くエネルギーが大きい事を示している。

ｌｎ（e／P）としたほうが相当温位のイメージに近くなりますが、この点21時データで書き換えるときの検討材料か？

9,10月には３つの領域があるようにみえる。

寒気が入ると飽和水蒸気圧が小さくなる。すると真ん中のB領域1~3000メートルに寒気が入りやすいと言うことか？

温位エマグラムをみると確かに1~3000メートルの相当温位が弓なりに低くなっている。

4.湿球温度

記憶がおぼつかないが地上の湿球温度がプラス0.8℃でみぞれではなかったかと思う？

少し湿球温度が高いように思う、関東と違うのか？0℃なる高さが違うのか？

1,2月は降れば平野でみぞれのイメージか？雪になっていたとしてもかなり湿った雪（湿った雪、乾いた雪やっぱり変な表現だな、重い雪？？乾いた雪→軽い雪→パウダースノー　防災的にも観光にも重い雪、軽い雪、のほうがよいのかもしれない）3,4月は標高500~1000メートルで雪のイメージ。

いつもこうしたイメージをもたないと関東南部で雪が降る時あわてます。

5月は2000メートルの標高の高い山、緯度にもよるが6月は山でも雪は降りにくくなりそう。

7,8月は山でも雪はなし。

11月に1~2000メートルの山で雪が降りだすイメージ12月は初雪の便りがありそう。

あまり気にしていなかったがすごい直線性です。

非常に強い構造が地表付近から8000メートルにかけて存在することになります。

気象学者はなにをやってきたのだろう？

ああ、ばかげた温室効果か・・

傾きはあまり変わらないようにみえます。

1と8月を重ねて見ます。

上が8月下の赤が1月です。

1月は成層圏かデータの偏りが7000メートル以上に出ていると思います。

年間を通じて湿球温度の傾きは変わらないと見てよいでしょう。

線路わき咲いた朝顔

原子力発電所の水素爆発については、全く分からない事ばかりです。

爆発した水素はどこからきたのか？圧力容器から漏れたとするような馬鹿らしい映像がTVで流れる。原発を導入した政治家がTVでシャベル。

分かったことはなんだろう？

複数の原発ある所で事故が起きたら、１人の所長で対応するのは無理だと言うことを4号機の爆発等が教えてくれた。おそらく所長が何人いても無理だろう。

水を入れただけの核燃料プールの安全対策は話題にもならない。

4号機のあの状態を政府は恐ろしい事態と思っていないらしい。

推進派は格納容器から水素が漏れて爆発する原子力発電所など使える訳がないことが分からないのだろうか？
水素が漏れるとは、格納容器から放射能が漏れるのと同じことだ。

原因が分からなければ安全対策はできない→安全対策ができない原子炉は廃炉にするしかない。

もっとも推進は格納容器から水素が漏れて爆発することがないことを知っているのだろうが・・

それでは、原発は信頼されない。

推進派は自分で自分の首をしめていることが分からないらしい。

2011年12月15日木曜日

館野の平年値再論　－温位エマグラムとP/e－

私がP/e or e/Pにこだわるのは、第二法則から水蒸気が理想気体ならP/eは高さによらず一定の値になるはずだからです。
現実は異なっていますが、等温位＝等エントロピーになればP/eは一定になるはずです。
このことは、水蒸気は上昇流などなくとも水蒸気が上空に輸送されることを意味しています。
P/eについては「大気成分とギブスのパラドックス」をご覧下さい。

温位エマグラムを使えば、大気の性質をもっと調べられると思います。

データは気象庁のホームページからダウンロードできますので館野09時の温位エマグラムを再び調べてみました。

データは気象庁のホームページからダウンロードしました。

資料は相対湿度が観測されたものを用いました。
期間1989年～2010年

館野の温位エマグラムと気圧/水蒸気圧

１、２月は地表付近に冷気が溜まっています。1月の温位エマグラムを少し拡大してみましょう。

沿岸前線と等相当温位で冷気が500メートルほど溜まったのは偶然ではないようです。
せっかくだから比べてみましょう。

へ～地上付近の冷気は平年と比べたいして変わらないけど上空の相当温位はずいぶん高かったのですね。監視には相当温位の平年値も必要かもしれません。

温位は

θ=（T＋mgZ）/Cp

で相当温位は

θe＝θ＋L/Cp・（e/P）

でした。

気象に詳しい方がこの定義を初めてみたらびっくりするかもしれませんので・・

そうした方は乾燥断熱減率と温位エマグラムを参照してください。

これから

ｄθe/ｄZ＝ｄθ/ｄｚ＋L/Cp・｛ｄ（e/P）/ｄｚ｝

となります。

ｄθe/ｄZ－ｄθ/ｄｚ＝L/Cp・｛ｄ（e/P）/ｄｚ｝

この数式は相当温位と温位の変化率の差がe/Pの変化率に比例すると読めます。

微分と言っても割り算です。
値は高さ50メートルと500メートル間の傾きで近似できます。

具体的に計算してみましょう。

高さ50メートル　θ1＝275.7ｋ　θe1＝283.6ｋ　e1/P1=1/224.5

高さ500メートル　θ2＝280.6ｋ　θe2＝288.6ｋ　e2/P2=1/257.4

L/Cp =46620/29.1=1602.1

左辺は
（θ2－θ1）/（500－50）－（θe2－θe1）/（500－50）
＝（288.6 －283.6）/（500－50）－(280.6－275.7)/（500－50）
＝（5.0－4.3）/450＝0.00156

右辺は
L/Cp・（e2/P2ーe1/P1）/（500－50）
＝1602.1＊（1/257.4－1/224.5）/（500－50）＝－0.00203

符号が反対になりましたがオーダーはあっています。

このデータではe/Pがどのように影響しているかわかりませんでした。
と言うより符号はいつも逆になるから何か別なもの？が影響している。

木を見ず森をみて見ましょう。P/eのグラフから
ｄ（e/P）/ｄｚ≒0で

ｄθe/ｄZ≒ｄθ/ｄｚ

と見るべきかもしれません。

なんとなく納得しますが・・・正直あまり面白い結果ではありません。

湿球温度はどうでしょうか？

これですね。

湿球温度は500メートル程度までほぼ一定です。

冬の関東はオーブのような雲粒が溜まり深さ500メートル程度の空気を冷やすと考えてよいでしょう。

放射冷却なんて邪魔なだけです。

こうした湿球温度の高度分布を見れば人口降雪機を動かす判断ができます。

と言うより、

雲粒を大規模に集めることができれば気温は上がり、おまけに冷熱源までできるはずです。
例えば、電力設備では雷雲の底と電荷同じ極性のイオンをばらまいて落雷の被害を抑えようとしたことがありました。（実用化しているのか知りませんが・・・）
オーブに帯電させれば（イオンをばらまく）、逆の極性の電極にオーブが集まるはずです。
私は明日朝晴れると考えると、気温と露点温度を見て最低気温を予想？（統計処理された最低気温の予想が提供されるので予想と言えるか疑問ですが・・）をしていました。
気温と露点温度が開い（乾燥し）ていると低く修正していました。
アバウトな方法ですが、今考えると気温と露点温度の真ん中あたりが＊湿球温度になる訳ですから納得できる経験則でした。

＊筑波山の湿球温度とは何？　　湿球温度と気温・露点の相関の１．湿球温度と気温・露点の相関を参照