地表からの長波長放射が温室効果ガスを温めていてそれが地球温暖化の原因であると言うが・・・。その２ 生憎二酸化炭素分子の周りに空気はない。 It is said that long-wavelength radiation from the earth's surface is heating greenhouse gases and causing global warming... Part 2 Unfortunately there is no air surrounding carbon dioxide molecule. 2021-09 #2

　太陽光が地球の表面に到達して温められた地表からの放射が温室効果ガスに吸収され、その結果大気の温度が上昇する様子を模式化した図はネット上に数多くある。

　二つ目の図はその一例であるが、今二酸化炭素地球温暖化原因説を信じて脱炭素を唱えている人達はそのメカニズムをどのように理解しているのだろうか？

　There are a number of schematic diagrams on the internet showing the rise in temperature of the atmosphere as a result of the absorption of greenhouse gases by radiation from the heated surface of the earth as sunlight reaches it.

　The second diagram is an example, but how do those who now believe in carbon dioxide as the cause of global warming and advocate decarbonisation understand the mechanism?

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図１　上：地球温暖化を図で示したサイト

　　　下：その中から取り出した一例

Fig. 1 Upper: Websites showing global warming in graphical form.

　　　Lower: An example taken from the site

　先回のブログ（2021-09 #1）で紹介した江守のビデオでは、地表からの赤外線放射を吸収した二酸化炭素が同じ波長の赤外線を全方向に放射して下向きの放射が再度地面を温めるのだと説明されていた。

　これとは違う解釈をしている人もいるようで、以下に示すような事を言っている人がいる。図２の上の写真（◆温室効果）は高校の教科書の記述で、この中身自体実にでたらめであるが、それに対する解説（図２下）の中で「温室効果ガスに吸収された赤外線のエネルギーは主に分子衝突によって大気を構成する気体分子に均等に分配されます。」と書いてある。

これを取り出したサイト：https://www.env01.net/main_subjects/global_warming/contents/s001/e002/t01.pdf

　実は私も、二酸化炭素地球温暖化原因説では二酸化炭素に吸収されたエネルギーが周囲の大気の分子にエネルギーを与えるのだと言う説明がなされていると思っていた。そして、この著者が教科書記載の前半部分まで否定しているのか、あるいは後半の温室の部分のみ否定しているかは明らかでないが、励起された二酸化炭素分子（水蒸気）が周りの大気の分子にエネルギーを分配しているとの主張は他のサイトでもしばしば見かける。

　そこで、先ずこのメカニズムの可否について検討したい。

図２　上：高校の教科書に記述されている温室効果の説明

　　　下：上の教科書の記述についての解説

　In the Emori video introduced in the last blog (2021-09 #1), it was explained that carbon dioxide absorbs infrared radiation from the ground surface and emits infrared radiation of the same wavelength in all directions, and that the downward radiation heats the ground again.

　Some people seem to have a different interpretation and say something like the following. The upper picture of Fig. 2 (◆greenhouse effect) is from a high school textbook, which is itself a load of rubbish, but in the explanation of it (Fig. 2, lower) it says: "The energy of the infrared radiation absorbed by greenhouse gases is distributed evenly among the gas molecules that make up the atmosphere, mainly by molecular collisions. This is what it says.

This is taken from the website: https://www.env01.net/main_subjects/global_warming/contents/s001/e002/t01.pdf

　To tell the truth I also thought that the explanation given for the carbon dioxide global warming cause theory was that the energy absorbed by carbon dioxide gives energy to other molecules of the surrounding atmosphere. It is not clear whether the author is denying the first half of the textbook or only the second half of the greenhouse, but the claim that excited carbon dioxide molecules (water vapour) distribute energy to the surrounding atmospheric molecules is often found on other sites.

　I would like to, at first, examine the availability of this mechanism.

Figure 2 Upper: Description of the greenhouse effect in a high school textbook

　　       Lower: Commentary to the description in the textbook above.

　本論に入る前に、先ず二酸化炭素や水蒸気が赤外線を吸収すると言う現象について理解を共有しておきたい。

　図３は二酸化炭素分子と水分子の結合部分（枝）の振動を示しているが、特定の波長の光（電磁波）を吸収すると光（この場合赤外線）からエネルギーを与えられ、励起状態（振動状態）になって分子の枝（腕）が振動する。励起状態の分子はそのエネルギーを放出して基底状態に戻る。

　Before entering into this discussion, it is important to share our understanding of the phenomena of the absorption of infrared radiation by carbon dioxide and water vapour.

　Figure 3 shows the vibrations of the coupling parts (branches) of a carbon dioxide molecule and a water molecule. When a molecule absorbs light (electromagnetic waves) of a specific wavelength, it is energised by the light (in this case infrared radiation) and enters an excited state (vibrating state), causing the branches (arms) of the molecule to vibrate. The molecules in the excited state release their energy and return to the ground state.

図３　二酸化炭素と水分子の各種振動モード

Fig. 3 Various vibrational modes of carbon dioxide and water molecules

「第４回科学の甲子園全国大会　筆記競技　解答と解説」（（https://koushien.jst.go.jp/koushien/tournament/2014/img/2015_pdf/1-3.A-hikki.pdf））より

Cited from https://koushien.jst.go.jp/koushien/tournament/2014/img/2015_pdf/1-3.A-hikki.pdf

　下の図４は、地球温暖化に関連していろいろな場面で使われている画像であり、ニンバス衛星が観測したサハラ砂漠上空での赤外放射のスペクトルである。この画像は日本気象学会の記事（https://www.metsoc.jp/tenki/pdf/1990/1990_04_0260.pdf）から採取した。なぜこの図を選んだかは、このスペクトルの大まかな採取時期を知りたかったからである。　

　何回か後でこの採取時期を話題にする。

　図の左側のピークが15μm付近にある大きな吸収が二酸化炭素の吸収で、図３の右側の変角振動である。鳥が羽ばたいているのを前から見たような感じである。

　Figure 4 below is an image that has been used on various occasions in relation to global warming, and is the spectrum of infrared radiation over the Sahara Desert as observed by the Nimbus satellite. This image was taken from an article in the Meteorological Society of Japan (https://www.metsoc.jp/tenki/pdf/1990/1990_04_0260.pdf). The reason why I chose this image is that I wanted to know the approximate time of collection of this spectrum.　

　I will talk about the time of collection several times later of this series.

　The large absorption on the left side of the figure, with a peak at about 15 μm, is the absorption of carbon dioxide, which is angular vibration at the right-hand side of of carbon dioxide in Figure 3. It is like seeing a bird flapping its wings from the front.

図４　日本気象学会の機関紙から取り出した赤外放射のスペクトル

Fig. 4 Spectrum of infrared radiation taken from a journal of the Meteorological Society of Japan

　さて、やっと本論である。

　二酸化炭素分子が赤外線によって励起されて腕を振ると、それがどのように気温の上昇につながるのだろうか？

　大気の温度とは下の図５に示す式にあるように運動エネルギーそのものである。サイトにあった式の説明を引用すると下記のとおりである。

「理想気体の気体分子１個の運動エネルギーは平均すると $\frac{3}{2}$kT であるということです。k は定数ですから、これはすなわち、気体分子の運動エネルギーは絶対温度のみによって決まる、ということです。逆に言いますと、温度というのは運動エネルギーそのもの、ということです。」

　つまり、大気の温度が上昇すると言う事はmが大きくなるかｖが大きくなるか、どちらかなのである。mが大きくなるような事が起こったら、これはとても大変な話なので、ｖが大きくなるしかない。しかし、腕を振っている二酸化炭素（水蒸気）は腕を振ってはいるが、分子そのものの運動速度が大きくなっている訳ではない。腕を振っているエネルギーがどうやったら自分自身や他の分子の運動エネルギーに転化するのか？固体や液体の場合分子同士がつながっているので、振動エネルギーが運動エネルギーに転化する事は起こり得る。電子レンジがいい例である。一方気体では分子がそれぞれ離れて運動しているので、そのような事は起こり得ないと思うのだが、量子力学的な解でもあるのだろうか？

　Now, finally, the main question.

　When carbon dioxide molecules are excited by infrared radiation and wave their arms, how does this lead to an increase in temperature?

　The temperature of the atmosphere is the kinetic energy itself, as shown in the equation in Figure 5 below. The following is a quote from a website explaining the equation.

"The kinetic energy of one gas molecule in an ideal gas is, on average 2/3kT. Since k is a constant, this means that the kinetic energy of a gas molecule depends only on its absolute temperature. In other words, temperature is the kinetic energy itself."

　This means that if the temperature of the atmosphere increases, then either "m" increases or "v" increases. If "m" were to get bigger, this would be a very serious matter, so "v" would have to get bigger. However, carbon dioxide (water vapour) is waving its arms, but the velocity of the molecule itself is not increasing. How can the energy of waving arms be converted into kinetic energy of itself or other molecule? In the case of solids and liquids, it is possible for vibrational energy to be converted into kinetic energy because the molecules are connected to each other. A microwave oven is a good example. In a gas, on the other hand, the molecules are moving apart from each other, so I don't think such a thing can happen... Is there a quantum mechanical solution?

図５　気体分子の平均運動エネルギーを示す式

Figure 5: Equation showing the average kinetic energy of gas molecules

　上の図の式は下記のサイトから取り出した。

　The equations in the diagram above were taken from the following website.

「気体分子の運動エネルギー - わかりやすい高校物理の部屋」（https://wakariyasui.sakura.ne.jp/p/therm/kitai/bunnsiene.html）

　鳥は羽ばたく事によって速く飛ぶことが出来る。羽ばたきに推力を与える空気が周りにあるからである。しかし、生憎二酸化炭素分子の周りには空気がない。だから速く動けるようにはならない筈である。広い空間で一万人が思い思いの方角に動いている状態を想像してみよう。その中の４人が腕を振ったら残りの１万人全員が速く動くようになる（平均速度が増す）事があるだろうか？

　多分IPCCもこの解釈では無理があると言う事で、現在の二酸化炭素（水蒸気）による赤外線の吸収と再放射を温暖化の原因として説明しているのだと考えられる。

　次回と次々回でこの「吸収と再放射」の考え方について検討したい。

　Birds can fly fast by flapping their wings. This is because there is air surrounding them to give them the thrust to flapping of wings. However, unfortunately, there is no air surrounding carbon dioxide molecule. So it should not be able to move fast.

　Probably it is thought that the IPCC takes explanation of the current absorption and re-radiation of infrared radiation by carbon dioxide (water vapour) as the cause of global warming, as this interpretation that vibrational energy converts into kinetic energy of molecules is not possible. Imagine a large space with 10,000 people moving in different directions. If four of them wave their arms, will all the remaining 10,000 people move faster (increase their average speed)?

　In the next article and the one after that, I will discuss this concept of "absorption and re-radiation".