ここ150年で海洋から二酸化炭素（CO₂）が出て大気中にたまったとすると不自然

化石燃料燃焼やセメント生産による人為起源のCO₂発生量はある程度正確にわかっており、1850年から2004年までの合計量は3120億トンとされています^[注1]。また森林伐採などにより放出された分は1550億トン程度と推定されます^[注2]。この合計は4670億トンになります。この量は大気のCO₂濃度を217ppm増加させる計算になります。ところが実際の大気中のCO₂はこの間287ppm^[注3]から377ppmまで、90ppmの増加が観測されています。したがって、この差の濃度分（127ppm：量にすると2730億トン）は、大気に蓄積せず自然界のどこかへ吸収されたことになります。

自然の吸収源として考えられるのは、陸上植物か海ということですが、現在の知見では、両者とも同程度のCO₂を吸収したと考えられています（図1左）。さて、もしご質問のように、長年の気温上昇のために海洋からCO₂が放出されて大気中に90ppmが蓄積したと考えると、この収支計算はどうなるでしょうか。大気中の90ppmのCO₂量は1940億トンになりますので、これが海洋から放出されたとしてみます（図1右）。すると、人為起源の4670億トンは大気中に蓄積できないので、陸上植物がすべて吸収しないといけない計算になります。植物の現存量は炭素にして6000億トンなので、もし4670億トン吸収したとすると、現存量と同じぐらいの莫大な炭素が陸上の生態系に新たに溜まっていないといけない計算になります。これは同時に、われわれがいくら石油や木材を燃やしても植物が吸収してくれるので濃度が変わらないということを意味していて、不自然です。

図11850年〜2004年のCO₂の正味の発生と吸収

海洋からではなく、人為起源のCO₂が大気にたまっている証拠

石油、石炭、天然ガスの消費や森林破壊などによりCO₂が増加したことを示す良い証拠として“炭素同位体”の観測があります。実は、CO₂の炭素原子は、質量数13という少し“重い”炭素と質量数12という“軽い”炭素で構成されています。海水には相対的に“重い”炭素を含むCO₂が多く含まれ、一方、植物や化石燃料などは“軽い”炭素が多いという特徴があります。よって化石燃料の消費や森林燃焼によってCO₂が放出されると、“軽い”CO₂が増加します。一方、海水からCO₂が放出されると、“重い”CO₂が増加します。これまでの観測によると、どの緯度帯においても軽い炭素が増加していることが知られています（図2）。これは、海洋からCO₂が放出されているのではなく、化石燃料や森林燃焼からの“軽い”炭素を含むCO₂が蓄積していることを示しています。

図2太平洋上の大気で観測されたCO₂の炭素同位体比の減少トレンド（凡例の数字は緯度［プラスが北緯、マイナスは南緯］を表す）

海水温度の上昇によってもたらされる海洋からの放出は？

海水と大気を接触させておくとその境界面ではCO₂の分子が行き来して、放っておくと最終的には両者の大気濃度が一定になります^[注4]。その時の濃度を平衡濃度と呼びます。たとえば、産業革命以前は大気と海水でCO₂の濃度は変化が小さく、その時の海水のCO₂の平衡濃度は280ppm程度と考えればよいことになります。ここ150年間に地球表面温度は0.7°C程度上昇しました。海水温の上昇も同様に起こりました。海水温が高くなれば海水中に存在している重炭酸イオンの化学平衡のずれやCO₂の溶解度の減少によって海水と平衡にあるCO₂濃度が高まります。海水のCO₂の平衡濃度の変化の大きさは1°Cの海水温度上昇に対して4%程度であるとされています^[注5]。たとえば280ppmから考えると、0.7°C海水温が上昇すると、8ppm程度平衡濃度が増加し288ppmで大気濃度が安定化することになります。つまり予想される濃度増加は大きくありません。

しかし実際には、大気中濃度は150年で90ppmの増加が起こっています。つまり、海水温上昇によって起り得る濃度増加よりも実際の大気の濃度増加の方がはるかに大きいことがわかります。これによって、海洋は大気濃度より常に低い平衡濃度をもつことになり、その結果、CO₂を正味で吸収することになるわけです。なお、地域的にいうと、海洋はCO₂を吸収しているところばかりではなく、放出しているところもあります。しかし全体としては吸収が勝っているということになります。

エルニーニョ現象が起こるペルー沖の赤道付近の海水は、現象時に温度が上昇することが知られていますが、そのような場合でも海水からの急激なCO₂放出は起こらないのでしょうか？ 実は、このエルニーニョの海域は他と異なり、常に深層からCO₂濃度の高い海水が湧きあがっているため、海水温は相対的に低いけれどCO₂の放出海域になっています。これがエルニーニョになると深層からの湧き上がりが弱まり、温かい表層海水がその海域を蓋のように覆いますので、それまでのCO₂の放出は逆に抑えられる結果となります。つまり、この海域は通常と逆で海水温が高くなるときには、CO₂の放出量が減ることになります。

なぜ気温の変動とCO₂濃度の増加速度の変動とが相関するのか？

その年の平均気温が高いとCO₂の年間の濃度増加速度も大きいという相関関係があることはよく知られています^[注6]。たとえば、顕著なエルニーニョ年の1997〜1998年には気温が高く、大気中のCO₂濃度の増加速度も通常の2倍程度（3〜4ppm/年）になりました。このことから、温度上昇によってCO₂が海洋から放出されているかのように思われる方がおられるかもしれませんが、そうではありません。

大気中濃度増加速度は“放出”するものと“吸収”するもののそれぞれの効果の足し算になります。人間活動による放出は気温の変動に関係なく、年に+4ppmぐらいの速度で濃度を押し上げようとします。これに対して自然界は、年に約2ppmの吸収速度で濃度を下げようとします。結果その差し引きの2ppm/年が大気中の平均の濃度増加速度ということになります。さて、この時、気温や降水量が変化すると、自然界の吸収速度に変動が起こります。実はこれが気温とCO₂の増加速度が相関関係をもつ理由です。

気温が高い（多くの場合エルニーニョ現象と関係している）年には、アマゾン地域の乾燥化による光合成量の減少や、高温および森林火災による呼吸・分解量の増加などで、陸上の生態系の吸収量が、熱帯を中心に減少すると考えられています。そのため、通常の2ppm/年の濃度増加速度は、森林の吸収量が減ることで3〜4ppm/年に増加することになります。

一方、海洋吸収量の年々変動は小さいと考えられています。なぜなら気温変動より海水温変動が小さいことに加え、その変動による海洋側の平衡濃度の変化は、実際の大気－海洋間のCO₂の移動量に対して寄与が小さいと考えられているからです。さらに上述のように気温の高いエルニーニョ年には赤道海域からのCO₂放出量が減少し、海洋全体の温度上昇効果による吸収量減少を相殺します。したがって、毎年の海水温変動によって、海洋吸収量はそれほど大きく変動することはないというのが通説になっています。

このように、気温などが変化すると、主に陸上の生態系による吸収速度が変化するために、CO₂濃度の年間増加速度と気温には相関関係が見られるのです。