■一言解説
地球大気は日射に対してはほぼ透明であるが、地球放射はよく吸収する。特に、大気中の水蒸気、二酸化炭素及びメタンなどは、効率良く地球表面からの赤外放射を吸収し、地球から熱が宇宙に逃げるのを妨げている。大気が存在しているからこそ、地球は現在の気温を保っていることができる。この大気による保温効果のことを温室効果という。大気が無ければ地球も月のように、太陽放射を受けている部分では数100℃、陰の部分では−数100℃という極限の世界になったであろう。

■詳解
温室効果について具体的に数式を用いて考えてみよう。簡単化のために地球大気は図1に示したように薄い層であり、この層の吸収率は太陽放射に対しては0.1、地球放射に対しては1であると仮定する。この気層に日射量I_Eが入射している時、放射平衡にある地表面と気層の温度を求めることにする。地表面はすべての波長領域で黒体であるとする。
気層の温度をT_a、地表面の温度をT_gとする。図より、地表面において、放射平衡が成立している場合には次式が成立する。

(1)

一方、気層においては、

(2)

である。この2つの式からT_gを消去すれば、

(3)

が得られる。気層に入射してくるエネルギーが気層から宇宙空間に放射されるエネルギーに等しいということを考えれば、式(3)は直接求めることができる。次に式(1)と式(2)からT_aを消去すれば、

(4)

が得られる。IE=240W/m^2という値を代入して計算をすると、T_a=255Kであり、これは地球の放射平衡温度と同じである。ところが、T_g=299Kである。このように、地表面が大気からの赤外放射を吸収することによって地表面に大気がない場合の放射平衡温度より高くなることを、大気の温室効果と呼ぶ。
空気の中でも、地球放射をよく吸収する気体としては、水蒸気、二酸化炭素、メタンなどがあり、これらの気体を温室効果気体と呼ぶ。地球温暖化の問題で、二酸化炭素が注目されているのはそのためである。しかし、最もよく地球放射を吸収するのは水蒸気である。成層圏に存在するオゾンは、太陽放射を吸収することで成層圏を温めている。そのため成層圏では、温度が高くなっているのである。

参考文献
小倉 義光, 1999 ： 一般気象学(第2版)。 東京大学出版会,　308頁。