「放射冷却現象」と「温室効果」についての質問です

質問

「放射冷却現象」と「温室効果」についての質問です

天気予報の解説で「今朝は晴れて地表の熱が奪われる放射冷却現象が起きて冷え込みました」等の解説がされるのですが、
「放射冷却」を「放射するもの（地表）と環境（大気）」に分けて考えると環境も放射しているので地表は大気の温度より下がらないと思えるのですが？
「放射冷却」とはどのような現象なのでしょうか？

質問の趣旨は
「放射冷却」は熱力学第２法則に反しないか？
です。

「温室効果」も同様な質問です
「二酸化炭素が環境のエネルギーを吸収して地表面の温度が上がる」
みたいな解説を聞くのですが、
環境のエネルギーを吸収している限り二酸化炭素は環境の温度より高くなれないはずなのですが
「温室効果」とはどのような現象なのでしょうか？

これも質問の趣旨は
「温室効果」は熱力学第２法則に反しないか？
です。

回答No.8

indoken

「非電化冷蔵庫」というものがあります。
放射冷却によって熱を放出して温度を下げ、
並行して、断熱材で熱の出入りを抑制して、
電気を全く使わずに庫内の温度を低く保つ、
というものです。

詳しい理論説明も付いています。
下記URLをご覧になると、
ご質問の放射冷却、温室効果の２つについて
考える上で、とても参考になると思います。

http://www.hidenka.net/hidenkaseihin/frig/frig.htm

お礼

ちょっと珍しいものを紹介して頂き有難うございました。
商品の説明？に
「空が澄んでいて星が見えれば、絶対零度の宇宙が見えているわけですから、空からの輻射は零となり、「輻射が一方的」をほぼ実現できることになります。」
とありましたが、私にはこのあたりが理解不能でした。宇宙と空と地表があるように思うのですが...
すくなくとも空の温度は絶対零度より地表の温度に近い気がします。

できれば、この商品が何故参考になると思って下さったのかを一言添えられてあったらうれしかったです。
この質問に目と止めて頂いてとてもうれしいです。
ありがとうございます。

補足

ここで、申し訳ありませんが、これからこの質問に目を止められる方のために
「放射冷却現象」と「温室効果」が熱力学第2法則に反しないか？
と言う意味を繰り返させて下さい。

何故「放射冷却現象」と「温室効果」が熱力学第2法則に反していると疑問に思っているのか？

「放射冷却現象」
放射冷却現象を放射するものとその環境に分けて考えます。
「放射するもの」＝「地表」
「環境」＝「例えば地上1.5メートルの温度を計っている所」
のように考えて下さい。

「放射冷却現象で地表が環境の温度より低くなる」とします
すると、地表を「低温度の熱源」、環境を「高温度の熱源」として
温度の差がありますのでエネルギーを取り出すことができます。
地表は「放射冷却現象」で常に環境より温度が低いので永久にのエネルギーを
取り出せることになります。
これは「第2種の永久機関」になります。
「第2種の永久機関」は否定されますので
「放射冷却現象で地表が環境の温度より低くなる」は誤りだったことになります。
結論は、「放射冷却現象で地表は環境の温度より低くなることはない」
と思います。「放射冷却現象」は熱力学第2法則に反するのではないでしょうか？

「温室効果」
面倒なので「温室効果ガス」＝「CO2」とします。

「温室効果によりCO2が環境のエネルギーを吸収して環境の温度より高くなる」とします。
CO2を「高温度の熱源」、環境を「低温度の熱源」として
エネルギーを取り出すことができます。
CO2は温室効果で常に環境の温度より高いから永久にエネルギーを取り出せることになる。
これも「第2種の永久機関」ができてしまいます。
「第2種の永久機関」は否定されますので
「温室効果によりCO2が環境のエネルギーを吸収して環境の温度より高くなる」は誤りだった
ことになります。
「CO2は温室効果により環境の温度より高くならない」となります。
温室効果は熱力学第2法則に反すると思うのですが？
また、CO2が環境の温度より高くならないのなら、そもそも「温室効果」ってなんですか？

一方、現実ですけど地上1.5メートルの温度計がプラス4℃を示すのですけど地表面では
氷が張り、霜が降りるので0℃以下になります。
この現象は「地表が環境の温度より低くなるので」放射冷却では説明できないように思います。
専門家は「放射冷却現象で冷える」としてこの現象について考えていないようです。
？「放射冷却現象」という名前を知っているので、現象も知っていると勘違いしてるのかもしれません。
（数人ですけど説明ができなかった専門家にお会いしたことはあります。失礼なんですが...「温室効果」も説明できなかったかも？）

少し脱線させてください.....
現在の科学水準からいったら、とても信じられない話ですけど
ひょっとしたら
「CO2が環境のエネルギーを吸収するのでCO2の温度が上がる」
みたいな乱暴（非科学的）な発想で専門家や政治家が「温室効果」なんてことを言ってるのかもしれない
すくなくても、専門家や政治家と報道は
「H2OやCO2が何故、電磁波を吸収して吸収し続けられるのか？」
説明や報道する義務があるじゃないか？
そのあたりが分からないと、H2OやCO2の温度が本当に上がるのかわからないよね？

と思います。（蛇足ですが...H2Oは地球上に一番たくさんある温室効果気体です）

これからも、よろしくお願いします。

回答No.7

雪中庵（@psytex）

他の方とのやりとりに口をはさむのは気がひけますが、
質問の中の「環境の温度」とは、何を指すのですか？
大気と熱のやりとりをするのは室温ではなく、
直射日光に熱せられた地面です。

１．大気の温度は、熱せられた昼の地面と冷え込んだ
　夜の地面の地面との中間の温度にあたります。

２．先にも触れたように、CO2は赤外線と相互作用する
　割合が大きいので、地面に届く前や、地面から宇宙に
　帰る輻射が吸収されやすくなります。
　（「環境の温度」は関係ない部分）

回答No.6

okormazd

「地球を太陽と仮定すれば、月の裏側は常時、晴れた夜の状態になります。
「放射冷却現象で月の表面は環境（宇宙）の温度より低くなる」と仮定します。
すると、月の表面を「高温度の熱源」、宇宙を「低温度の熱源」としてエネルギーを取り出すことができます。
月の表面は常に「放射冷却現象」により宇宙より低いので無限にエネルギーを取り出せることになります」

論理がめちゃくちゃです。めちゃくちゃがわかりますか。

仮にあなたの論理が正しいところがあったとしても「「放射冷却現象で月の表面は環境（宇宙）の温度より低くなる」と仮定します。」
勝手に仮定されたものにコメントはできませんが、
実際はそうはなりません。月の表面から放射されるエネルギーと
宇宙空間から受ける放射エネルギー(宇宙にある恒星やその他の物質からの放射)が平衡する温度になるので、どっちが温度が高いとかにはなりません。部分的には(たとえば太陽がそうです)そういう部分があるにしても、平衡です。それが熱力学第2法則です。
あなたの論理では、簡単に言えば、太陽エネルギーを受けている地球は無限のエネルギーを享受できるので、熱力学第2法則は成立しないといっているようなものではないですか。
もっと、動的に考えられないのでしょうか。
ステファン・ボルツマンの法則で、温度が上がれば放射が増える、温度が下がれば放射が減る、地球だけでなく雲も宇宙空間もです。

なお、これ以上回答する気にはなりませんので、あとは自分で考えてみてください。

お礼

ご指摘ありがとうございます。

ご指摘のように、月の表面が宇宙の温度より低くなるなんてバカなことは私も起こらないと思います。

申し訳ないのですが少し誤解があるようです。

私は
?「放射冷却現象で月の表面（放射するもの）は環境（宇宙）の温度より低くなる」と仮定して、放射冷却現象で月の表面は環境（宇宙）の温度より低くならないと結論しています。

確かに、わかりにくい、まどろっこしい説明なのですが（私の説明能力の限界でして）、伝統的な説明ですのご勘弁願います。

そして、
「地上1.5メートルの空気（環境）がプラス4℃から地上面（放射するもの）では氷が張り霜がおりるので0℃以下になる。」

事実を補足として付け加えました。

はじめ私はこの事実を確認するまで信じませんでした。

ここで、すこし気をつけて欲しいのですが

地球では実際に、表面が0度以下で環境がプラス4℃となるのです。

この現象が

?「放射冷却現象で地表面は（氷が張ってるので0℃以下）環境の温度（地上1.5メートルの空気の温度+4℃）より低くなった」

と説明されているのでは？と疑問に思っているのです。

?と?を比べて見ましょう。

?「放射冷却現象で月の表面（放射するもの）は環境（宇宙）の温度より低くなる」

?「放射冷却現象で地表面は（氷が張ってるので0℃以下）環境の温度（地上1.5メートルの空気の温度+4℃）より低くなった」

?はまったくバカらしい論理ですが?はどうでしょうか？

私には?もバカらしい論理に見えるのです。

?は確かに熱力学第2法則に反します。

?も熱力学第2法則に反するのでないか？と質問させてもらっています。
私の質問は、
「放射冷却現象は熱力学第2法則に反するのではないでしょうか？」
なのです。

ご主張は「私への誤解」以外は賛同いたします。

私は熱力学第2法則のファンで

「宇宙に平衡ではない所があっても平衡に向かう」は原理的なものだと思っています。

「回答する気になりません」などと言わずよろしくお願いします。

なお、補則で

「放射冷却現象で月の表面は環境（宇宙）の温度より低くなる」と仮定します。

すると、月の表面を「高温度の熱源」、宇宙を「低温度の熱源」としてエネルギーを取り出すことができます。

としてしまったのですが誤りですので

「放射冷却現象で月の表面は環境（宇宙）の温度より低くなる」と仮定します。

すると、月の表面を「低温度の熱源」、宇宙を「高温度の熱源」としてエネルギーを取り出すことができます。

と訂正させて頂きます。恥ずかしいかぎりです。

また、訂正のチャンスを与えていただき感謝します。

補足

「お礼」で文字化けをおこしてわかりにくくなってしまいました。
お詫びいたします、そして分かりにくくなった部分を補足させてください。

補足
「放射冷却現象で月の表面（放射するもの）は環境（宇宙）の温度より低くなる」
はバカらしい主張です。
しかし、地球では実際に表面が0度以下で環境がプラス4℃となることがあります。
この現象を
「放射冷却現象で地表面は（氷が張ってるので0℃以下）環境の温度（地上1.5メートルの空気の温度+4℃）より低くなった」
と説明されるているのではないでしょうか？
（「大気中の水蒸気が放射冷却で氷となり霜になった」みたいな説明ですね）

1.「放射冷却現象で月の表面（放射するもの）は環境（宇宙）の温度より低くなる」
2.「放射冷却現象で地表面は（氷が張ってるので0℃以下）環境の温度（地上1.5メートルの空気の温度+4℃）より低くなった」
この２つの主張と説明を比べてみましょう。
熱力学第２法則に反しますので1.は明らかに間違えです。2.はどうでしょう。
私には熱力学第２法則に反しているように見えるのです。
私の質問は、
「放射冷却現象は熱力学第2法則に反するのではないでしょうか？」
なのです。

回答No.5

okormazd

>「放射冷却」を「放射するもの（地表）と環境（大気）」に分けて考えると環境も放射しているので地表は大気の温度より下がらないと思えるのですが？
地表からの放射がすべて環境（大気）に吸収され、環境（大気）が地表に向かって放射しているだけならおっしゃるようになるでしょうが、
地表からの放射がすべて環境（大気）に吸収されるわけではなく、ほとんど透明で、その大部分は宇宙空間に放射されます。環境（大気）からは地表に向かって放射しているだけでなく、宇宙空間にも放射されます。したがって、地表から直接宇宙空間に放射されたエネルギー分と、環境（大気）から宇宙空間にも放射されたエネルギー分だけ地表の温度は下がることになります。夜は太陽からの放射はないですから。
これは、熱力学第２法則です。
この関係は、「温室効果」にもそのまま当てはまります。
ただし、「放射冷却」は局地的、一時的な(夜は太陽からの放射はない)平均の現象であるのに対し、「温室効果」、「温暖化」は地球全体、年間通しての平均の現象を扱っていますので、にわかの比較は適切ではないでしょう。
「温室効果」は、温室効果ガスが、地表からの赤外線放射を吸収して、地表および宇宙空間に再放射するときに生じる現象です。
地表の温度は、ほとんど太陽からの放射で維持されています。太陽からの放射エネルギーと地球からの放射エネルギーがつりあったところで決まります。太陽から受けたエネルギーと等しいエネルギーを地球から放射しているのです。このバランスがとれていなけれれば地球の気温はやたらに暑くなるか、どんどん冷えるかのどちらかでしょう。
エネルギーがつりあっているのに何で「温暖化」になるのでしょう。
それは、ステファン・ボルツマンの法則で説明できます。物体はその絶対温度に応じた放射をしているというのです。温度が高くなれば放射も大きくなります。
地表からの放射のうち、温室効果ガスにつかまらなかった放射はそのまま宇宙空間に出て行きます。温室効果ガスにつかまった放射は地表と宇宙空間に再放射されます。宇宙空間に出て行く両者合わせた放射が、太陽からの入射の放射より小さければ、地球はは温まって、温度が上がります。温度が上がれば、ステファン・ボルツマンの法則で、放射が強くなり、宇宙空間に出て行く放射も増えるでしょう。結局、太陽からの放射と地球から出て行く放射がつりあうまで、温度が上がることになります。これも熱力学第２法則です。

補足

ご回答有難うございます。
質問が舌足らずだったようです。

まず「放射冷却現象」ですが

地球を太陽と仮定すれば、月の裏側は常時、晴れた夜の状態になります。
「放射冷却現象で月の表面は環境（宇宙）の温度より低くなる」と仮定します。
すると、月の表面を「高温度の熱源」、宇宙を「低温度の熱源」としてエネルギーを取り出すことができます。
月の表面は常に「放射冷却現象」により宇宙より低いので無限にエネルギーを取り出せることになります。
これは「第2種の永久機関」になります。
「第2種の永久機関」は否定されますので
「放射冷却現象で月の表面は宇宙の温度より低くなることはない」
と結論されます。
「放射冷却現象」は熱力学第２法則に反しているように思えます。

実際に、地表1.5メートルの気温がプラス4℃位から地表は氷が張り、霜が降りますので、明らかに0度以下となります。
放射冷却でこのような現象が起きるなら、無限のエネルギーが取り出せることにならないのか？
が質問の趣旨です。

お答えでは、地表の温度が下がるとおっしゃられているようですが、環境と地表とではどちらの温度が低くなるのか申し訳ありませんが判断が難しいです。

　同様に
「温室効果により二酸化炭素が環境からエネルギーを吸収して環境をより暖かくなる」と仮定すると
二酸化炭素を「高温度の熱源」、環境を「低温度の熱源」としてエネルギーを取り出せます。
二酸化炭素は「温室効果」により常に環境の温度より高いですから無限にエネルギーを取り出せることになります。
やはり、「第2種の永久機関」ができてしまいますので、
「温室効果により二酸化炭素が環境からエネルギーを吸収して環境をより暖かくなる」
は否定されます。
二酸化炭素は環境（地表面を含め）より暖かくなれない。
となります。
「温室効果」は熱力学第2法則に反しているように思えます。

「二酸化炭素が環境より暖かくなれない」なら第二法則に反しませんが、あらためて「温室効果」とは
どんな現象なのかという問いが残ります。

「二酸化炭素がエネルギーを吸収するから温度が上がる」ではあまりにも乱暴（非科学的）です。
二酸化炭素がなぜ電磁波を吸収し、吸収し続けられるのかを十分検討された結果の「温室効果」ならよいのですが...

これも、お答えでは申し訳ありませんが二酸化炭素が環境の温度より高くなるのか低いのか判断が難しいです。

回答No.4

jkpawapuro

放射する先は大気とは限りません。
直接宇宙に出て行ってしまうものがあります。
プランクの法則は熱を電磁波として放射することを表していますが、これは環境（放射先）は求めません。
そして放射冷却現象とは、大気中に水蒸気が無いため熱が宇宙に効率的に放射されやすい状態を指します。
（そのため良く冷え込む）

逆に温暖化は、大気中にCO2（等）がおおいため、放射された熱が多く大気に吸収されて宇宙に放出されない現象を指します。そのためこれまでより熱の放出が減り、大気の温度が上がる現象です。

おそらく放射冷却で勘違いしているのは、閉じた系のように地表から放射された熱は全て大気に吸収されると考えてしまったのではないでしょうか？

温室効果については、地表から放射された熱（電磁波）は、二酸化炭素に一度吸収されてそれが伝達され大気の温度が上がると考えればいいかと思います。ここで二酸化炭素の熱源となるのは環境というより、地表からの黒体放射です。大気の主成分である酸素と窒素より、放射熱の吸収割合の多いものが、温室効果ガスとなります。

回答No.3

雪中庵（@psytex）

熱の伝達には、輻射、伝導、対流があります。
空気は、断熱性能が高い（＝熱容量が大きい）のに、
その「熱」の担い手である赤外線を透過させることが
問題なのです。
要するに、地面は熱しやすく冷めやすいので、たとえば
大気のない月の地表は、昼は100度以上、夜はマイナス
百数十度という状態です。

もし大気が完全に透明で、かつ地表とも接していなければ
（＝熱伝導しなければ)、実は地球も同じ状態になるはず
なのです（太陽との距離は同じだから）。

ところが、いくつかの点で、上記のようにはなりません；

１．大気は地上と接していて、熱伝導と対流により、
　　徐々に地表の温度変化を大気圏に伝える（空気は
　「断熱性が高い」ということは輻射しにくく冷えにくい)。
２．ＣＯ2は、「透明な大気」の中では、比較的赤外線を
　　吸収しやすい一方、分子量が大きくて熱容量が大きい。
３．「地表からの輻射」だけでなく、人類の活動による熱は、
　　直接大気を暖めるので、「輻射で宇宙に逃げ」にくい。

これらの結果「温室」になる、というプロセスに、あなたの
問いへの答えが含まれています。

回答No.2

sugijinja

熱源には太陽から放射され地表に届くエネルギーや生命活動から出る熱エネルギー・地球の内部のマントルから放出される熱エネルギーがあります
これらは大気がなければすべて宇宙空間に放出され、冷えた天体になってしまいます(大気の少ない月が好例)
大気があるために地表付近には生命活動に適した熱を維持できますが、温室効果ガス増えると熱エネルギーの放出が阻害され熱の収支バランスが崩れて地表付近の温度が上昇するのです

同様に　雲があると雲が地表付近大気のの熱の放散を阻害するので温度が維持されますが、雲がないと大気圏の熱は成層圏や宇宙空間へ放散され温度が下がります　

熱エネルギーの量が変わらなくても密度が変化すれば温度が上がったり下がったりするわけです

回答No.1

precog

放射とは赤外線になって出て行くという意味ですね。宇宙は絶対零度に近いのでエントロピーは増大してます。

温暖化は太陽からのエネルギーを受けて起きるのでやはりエントロピーは増大しています。