H2O-CO2 大気の冷却に関するいくつかのコメント
中島健介（九大 理）

コメントする問題点
1. H2O 臨界点付近での「CO2とH2Oの分離」– H2O-CO2 の相図より

2. H2O 臨界点での「海面」の出現の仕方– H2O の「蒸気表」より

3. 1成分凝結大気の冷却– 「雨」の落下に伴う熱輸送

4. H2O 凝結開始時のアルベド– 対流は許されるので、雲は fragmentary

コメントする問題点
H2O 臨界点付近での「CO2とH2Oの分離」
H2O-CO2 の相図より

丸山メモ
2015/08/20

大気の二層化？
流体の乱流混合で混じると想像分厚い大気の雲対流形態は謎

大気として二層に分かれるのか？？

CO2-H2O 系の熱力学特性について

H2O-CO2 系の「臨界点」

純H2Oの臨界点

H2O-CO2 系の「臨界点」
温度一定で、組成と圧力の関数としての相図圧力
H2O の多い側から次第に CO2 を増やしていくと、泡が生じる

CO2 の多い側から次第に H2O を増やしていくと、露が生じる
CO2 の分率

組成一定で、圧力を増加されると、気相から液相に変化する

実質的には H2Oの海ができる条件

コメントする問題点
H2O 臨界点での「海面」の出現の仕方– H2O の「蒸気表」より

冥王代の大気？
分厚いCO2大気・H2O大気
宿題
神戸大学理学研究科惑星学専攻
林 祥介
shosuke@gfd-dennou.org
2015 年 9 月 7 日
はしもとじょーじ（岡山大学）・石渡正樹（北海道大学）・大西将徳（神戸大学）
倉本圭（北海道大学）・中島健介（九州大学）・高橋よしゆき（神戸大学）
提供
地球流体電脳倶楽部 http://www.gfd-dennou.org/

CPS惑星科学研究センター http://www.cps-jp.org/

縦軸：大気圧（液相除く）Ps、横軸：地表（気相最下層=海面）気温Ts
赤線：大気+海洋系の相物質保存したまま冷却するばあいのみ考える

初期大気中のCO2量が73atm より大きい場合
CO2 海洋の形成

初期大気中のH2O量が218atm より大きい場合
H2O 海洋の形成

大気の二層化？
流体の乱流混合で混じると想像分厚い大気の雲対
流形態は謎

H2O氷

この線はどうやって引くの？
H2OがCO2気体に溶ける飽和曲線？
水の臨界点通っているのは変？その点ではCO2にH2Oは溶けない？全量水？

CO2海洋+H20海洋
飽和蒸気圧にしたがって大気圧減少

H2O海洋
大気圧はH2O飽和蒸気圧にしたがって減少温度（摂氏）

超臨界状態からの断熱膨張「液体的」領域からの断熱膨張（減圧）では泡が生じる

Xは気相の比「気体的」領域からの断熱膨張（減圧）では露が生じる

エントロピー

超臨界部分を、どう呼ぶべきか？
T
パーセルを下から持ち上げると、中で水滴ができ始めるので、下は「気相的」と呼ぶべきである。

下層の温度構造は断熱的であると仮定。

Pパーセルを下から持ち上げると、中で気泡が生じ始めるので、下は「液相的」と呼ぶべきである。
「海面」は飽和曲線上になる。
臨界点から高温高圧側に伸ばした断熱線より温度が下がると、臨界点の温度圧力の所が「海面」になる。
地表面（陸面または海面）の温度・圧力（星印）はジャンプする。

全H2O大気の臨界点付近の状況
大気の鉛直構造が断熱的と仮定すると、海の形成は、Tc を通る断熱線の 400 atmでの温度で起こり、大気圧は Pc に向かってジャンプする。

CO2 についても似たようなことが起こりそうに思う。

コメントする問題点• H2O 凝結開始時のアルベド– 対流は許されるので、雲は fragmentary– 等温大気はあるか？

冥王代の地球と金星の大気
戎崎 2015/12/04

Hadean H2O Atmosphere
Abe and Matsui 1981

isothermal

Solar short wavelength
radiation
can penetrate until 10 bar

Hadean Earth• IR sphere of H2Oatmosphere locates in thecondensation area→loose energy to condensate
H2O• H2O particles block solar
SWR– nearly isothermal atmosphere– large albedo A~0.9– H2O sea

• CO2 atmosphere• IR sphere of CO2
atmosphere in thecondensation area→loose energy to condensate CO2→N2 atmosphere雲層より下の等温部分の適否
等温部分
H2O の液相領域に入っている。
H2O の分率が高く、気相である限りは実現できない。
相当量の H2O が凝結した後でないと許されない。
冷却中（海洋形成が進行中）の大気は断熱的であろう。

アルベドは非常に大きいか？
• H2O凝結部分は、対流が許される。
– 組成は「全H2O」ではない。そこそこCO2あり。
– CO2（非凝結）の分子量 ＞ H2O（凝結）の分子量• 対流性の雲の「雲量」は「そこそこ」である。
• アルベドは極端に大きくはならないだろう。

Earth’s water clouds
The only place where we have detailed knowledge on clouds.

Thunderclouds
from space: “clusters” of 100-1000km scale are seen.

Indivisual updraft: O(10km)

http://en.wikipedia.org/wiki/Cumulonimbus_cloud40

http://earth.jsc.nasa.gov/sseop/EFS/images.pl?photo=ISS016-E-27426

smaller scale convective clouds

41

http://www.solarviews.com/cap/earth/cells.htm

主成分凝結系(Colaprete et al.,2003)
過冷却あり過冷却なし

P×

浮力を得られず

P浮力を得られる

凝結高度

凝結高度
気塊

T
• 強い鉛直流は生じず

気塊T• 強い鉛直流が生じる

Colaprete et al.(2003)の問題点:
1次元モデルを用いた研究であり, どのような流れ場・雲分布が自然に実現されるのか分からない流れ場・雲密度の空間分布

熱収支の特徴
温位収支(K/s)

赤: 移流+乱流拡散
青: 放射冷却
緑: 潜熱加熱・冷却
橙: 地表熱フラックス加熱

雲密度収支(kg/m3/s)

赤: 移流+乱流拡散
緑: 潜熱加熱・冷却
水: 重力落下

雲層の上端で放射冷却すると？
• 運動形態は、先に見せたもの（雲層の中や下でも冷却）とほとんど変わらない。
• 凝結層の雲は分厚い。
• 冷却部分で凝結した雲粒が、凝結層の下まで落下してから蒸発。途中では蒸発しない。
• 蒸発潜熱で冷却されて、凝結層より下の「乾燥対流」が駆動される。この部分の大気は乾燥断熱勾配。

主成分凝結大気構造の進化
T
放射冷却
凝結、潜熱加熱
気相の上昇

雨粒の落下雲層蒸発、潜熱冷却

Dry convectionP

飽和曲線＝湿潤断熱

主成分凝結大気構造の進化
T
放射冷却
凝結、潜熱加熱
気相の上昇

雨粒の落下

雲層蒸発、潜熱冷却

Dry convectionP

飽和曲線＝湿潤断熱

主成分凝結大気構造の進化
T
放射冷却
凝結、潜熱加熱
気相の上昇

雨粒の落下

雲層蒸発、潜熱冷却

Dry convectionP

飽和曲線＝湿潤断熱

主成分凝結大気構造の進化
T
放射冷却
凝結、潜熱加熱
雨粒の落下雲層雲底が地上に到達

P

海の形成

飽和曲線＝湿潤断熱

主成分凝結大気構造の進化
T
放射冷却
凝結、潜熱加熱
雨粒の落下

雲層
飽和曲線＝湿潤断熱

海の形成に伴って大気減少

P下の方に等温部分があると？
T
放射冷却
凝結、潜熱加熱
気相の上昇

雨粒の落下

雲層蒸発、潜熱冷却
Dry convectionP

飽和曲線＝湿潤断熱下の方に等温部分があると？
T
放射冷却
凝結、潜熱加熱
気相の上昇

雨粒の落下

雲層蒸発、潜熱冷却
Dry convectionP

飽和曲線＝湿潤断熱
等温部分は、乾燥断熱層に取り込まれていくメモ• 硫黄がものすごく多いとどうなるか？
• 硫酸が大量にできる？
• 硫酸が水を吸って、「雨粒」として落下？
• 大きな粒になるのか？
• 硫酸の海ができて、H2O を吸ってしまう？
• そうすると低温になってしまう？
• 硫酸は石を溶かすか？
• 細かい砂にしないと、石の反応は遅い。

硫酸の上の水蒸気圧

http://www.mie.uth.gr/ekp_yliko/SulfuricAcid-Water_VaporPressure.pdf