地球のエネルギー収支

地球のエネルギー収支とは、宇宙空間との間でやり取りされるエネルギーの全体像を指す物理的なシステムです。地球全体が一定の温度を保っているのは、通常、受け取るエネルギーの総量と失うエネルギーの総量がほぼ均衡しているためです。

エネルギーの流入

地球の大気圏に到達するエネルギーの総量は、1秒あたり約174ペタワット（174 PW、17京4000兆ワット）と推定されています。この膨大なエネルギーの大部分は太陽からの放射（太陽放射）であり、全体の99.97%を占めます。地球全体に平均すると、太陽放射によるエネルギー流入は約340 W/m²となります。この数値は、地球の昼側の面に強く当たる太陽光を地球表面積全体で平均した値です。太陽が真上にある場所での放射照度は最大約1366 W/m²（太陽定数）に達し、場所や時刻、緯度によって変動します。太陽活動は約11年周期で変動し、太陽定数もわずかに変化しますが、その変動幅は比較的小さいものです。
太陽放射以外にも、地球内部の崩壊熱に由来する地熱エネルギー（約0.025%、44 TW、約0.08 W/m²）、太陽や月などの引力による潮汐力から生じる潮汐エネルギー（約0.002%、3 TW、約0.0059 W/m²）があります。また、近年では人為的な活動である化石燃料の燃焼によるエネルギー（約0.007%、13 TW、約0.025 W/m²）も無視できない規模となっています。

エネルギーの流出

地球に入射した太陽エネルギーの一部は、地表や大気、雲によって宇宙空間へ反射されて失われます。この反射の割合をアルベドと呼び、地球全体の平均アルベドは約0.3です。つまり、入射太陽エネルギーの約30%は反射され、残りの70%が地球に吸収されることになります。
反射される30%の内訳は、雲による反射が約20%、大気による反射が約6%、地表面による反射が約4%です。
地球に吸収された70%のエネルギーは、最終的に熱として宇宙空間へ再放射されます。この吸収されたエネルギーは、地表面に約51%、大気に約16%、雲に約3%という割合で一旦蓄えられます。吸収されたエネルギーは、様々な過程を経て宇宙へと放出されます。例えば、地表からの赤外線放射（約15%が大気を経て宇宙へ）、水の蒸発に伴う潜熱の放出（約23%）、大気や雲からの直接的な再放射（約19%）などがあります。地熱や潮汐起源のエネルギーも最終的には宇宙へ放出されるため、長期的にはエネルギー収支はゼロになります。

エネルギー収支と気候変動

地球のエネルギー収支が崩れると、地球の平均気温に影響が及びます。受け取るエネルギーが失うエネルギーを上回る状態が続けば、熱エネルギーが増加し、地表付近の気温や海面温度が上昇します。逆に、失うエネルギーが上回れば、温度は低下します。このエネルギー収支の不均衡をもたらす要因を「放射強制力」と呼び、エネルギー流入増大をもたらす要因は正の、流出増大をもたらす要因は負の放射強制力として定義されます。
地球の長い歴史において、エネルギー流入の変化をもたらす主な要因は太陽活動の変化でした。大規模な太陽活動の変化が気候変動を引き起こしたと考えられています。一方、エネルギー流出の変化に大きく影響するのがアルベドの変化です。例えば、氷床面積が増加するとアルベドが高まり、反射されるエネルギーが増えるため、地球が吸収するエネルギーが減少して気温が低下します。この低温化がさらに氷床拡大を促すという正のフィードバックがかかり、地球全体が氷に覆われる可能性（全球凍結仮説）も理論上存在します。逆に気温上昇は氷床減少を招き、アルベド低下によってさらに温暖化が加速する要因となります。
近年の地球温暖化の主要因は、人為的な活動による放射強制力の変化、特に温室効果ガスの増加が地球のエネルギー収支の均衡を崩しているためとされています。温室効果ガスは、地表や大気が放出した熱（赤外線）を吸収し、大気中に熱を長く留めることで平均温度を上昇させます。二酸化炭素やメタンといったガスが特に大きな影響を与えています。IPCCの報告によれば、人為的影響により、2000年時点のエネルギー収支は1750年と比較して約2.4 W/m²増加しており、これは地球が受け取る太陽エネルギーの1%弱に相当する量です。
化石燃料の燃焼だけでなく、森林破壊などの土地利用の変化や、北極海の海氷減少といった地表面状態の変化もアルベドや温室効果ガスの濃度に影響を与え、地球のエネルギー収支に変化をもたらしています。

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