2017年4月号 [Vol.28 No.1] 通巻第316号 201704_316004

インタビュー「地球温暖化の事典」に書けなかったこと 21 気候変動の複雑な仕組みが見えてきた—より詳細な温暖化の解明に挑む—

  • 向井人史さん
    地球環境研究センター長
  • インタビュア:広兼克憲(地球環境研究センターニュース編集局)
  • 地球環境研究センターニュース編集局

【連載】インタビュー「地球温暖化の事典」に書けなかったこと 一覧ページへ

国立環境研究所地球環境研究センター編著の「地球温暖化の事典」が平成26年3月に丸善出版から発行されました。その執筆者に、発行後新たに加わった知見や今後の展望について、さらに、自らの取り組んでいる、あるいは取り組もうとしている研究が今後どう活かされるのかなどを、地球環境研究センターニュース編集局または低炭素研究プログラム・地球環境研究センターなどの研究者がインタビューします。

第21回は、向井人史さんに、地球温暖化と気候変動の研究についてお聞きしました。

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「地球温暖化の事典」担当した章
1.1 地球温暖化と気候変動 / 1.2 温室効果ガス
次回「地球温暖化の事典」に書きたいこと
より確定的で重要な科学的理解

二酸化炭素が地球温暖化にもっとも影響を与えている温室効果ガスなのは…

広兼

『地球温暖化の事典』(以下、『事典』)では、向井さんには “地球温暖化と気候変動” “温室効果ガス” をご執筆いただきました。特に “地球温暖化と気候変動” で書かれている、過去の気候変動とその解釈、地球温暖化・地球の気候変動、温室効果ガスの赤外吸収については、地球温暖化を考える前提になる知識ですが、内容が難しいこともあり、あまり一般向けには解説されていないと思います。このあたりの情報をもっとわかりやすく伝えるべきではないでしょうか。

向井

同感ですが、そのしくみは専門家でない人からは捉えにくい事柄を含んでいます。地球は太陽からエネルギーを受け取り、それとほぼ同じだけのエネルギーを主に赤外線の放射という形で宇宙に放出しています。これは、宇宙から遠巻きに地球を見た場合のことをイメージしているものです。しかし、われわれが理解すべき温室効果は、大気の存在する地表付近の温度との関係で考えるのが前提です。大気がなければ、地表は宇宙からそのまま見えるので、遠くから見ても両者のイメージに差はなく、その場合地表は平均的に−18°C程度の温度になり(注:実際は地球の反射率によって温度は異なる)、その温度での地表からの赤外線が宇宙から見えるはずです。「はずです」と言っているのは、エネルギーのバランス計算上ではそうなると考えられるという意味です。しかし、大気があると大気成分(温室効果ガス)の赤外吸収と放射により、地表付近の温度に関しては結構ややこしいことが起こります。しかも、赤外吸収が物質によって異なる波長で起こることと、温室効果ガス等は高さ方向に濃度差があることが関係します。

たとえば二酸化炭素(CO2)はすべての波長の赤外線を吸収するのではなく、特定の範囲の波長(15ミクロン程度)の赤外線を強く吸収します。水(水蒸気)は、8ミクロンよりも短い波長や20ミクロン以上の長い波長帯に吸収領域があります。もし地表面が−18°Cならば、このCO2や水の吸収する赤外線の波長帯を宇宙から見ると、想定される−18°Cより低い少ない量の赤外放射しか出ていかないことになります。その際、水は対流圏の下部に高い濃度で存在し、上部にはあまり存在しないので、対流圏下部の赤外線量が宇宙に放出されると考えていいことになります。他方、CO2は対流圏上層部まで濃度がそれほど変わらないので、上層部でも吸収放出が起こり、宇宙に対しての放射量はさらに減ってしまうことになります。いずれにせよ、この波長領域の赤外線放射は宇宙に対してあまり出ていかない領域になります。

一方で、温室効果ガスの赤外吸収があまりない波長も存在します。水とCO2の吸収のない8〜14ミクロン程度の領域は、赤外線における大気の窓ともよばれています。この領域では、温室効果があまり効いていないことになります。つまり、大づかみでいえば大気の窓以外の領域で宇宙に出るのを制限された赤外線放射エネルギーは地表にとどまり地表面を温めることが全体では起こることになります。それによって、地表温度が上がります。地表が−18°Cでは宇宙に出るエネルギーが少なすぎるのですが、地表温度が15°Cまで上がってくると、大気の窓やそれ以外の領域全体を通して出ていくエネルギー量が宇宙からやってくる太陽エネルギーと釣り合うという状態になります。それが、現在の地球の姿になるとイメージしてもらいたいのです。

その際、どこに赤外線の吸収帯があるかが重要で、CO2は地球の放出する赤外エネルギーの大きな波長領域にありますので大きな影響を示します。フロンなどは、濃度は低いものの大気の窓領域に吸収帯があり、濃度の割に寄与が大きい。一酸化炭素(CO)はCO2と近い物質ですが、強い吸収帯はそこからはずれています。それぞれ、物質により濃度変化に対して温室効果の寄与量も異なります。エアロゾルや雲があると放射エネルギーの出入りに関してはさらに複雑なことが起こります。

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広兼

ちょっと確認ですが、COは一般的には温室効果ガスといわれていませんね。地表からの赤外放射は水蒸気やCO2など温室効果ガスの種類や吸収波長、再放射、存在位置によってその振る舞いが複雑になることはよくわかりました。

向井

COはそのままでは温室効果ガスとはあまり考えられていないのですが、酸化するとCO2になります。そこで、最終的にCO2になる物質として温暖化に何%寄与しているのかを気候変動に関する政府間パネル(IPCC)は計算しています。COはわりと濃度が高くて100ppb(大気中0.1ppm)くらいあります。それが速いスピードでCO2になっていくので数%の寄与になります。このように間接的に温暖化に寄与するものもあります。

気候変動の将来予測を複雑にするエアロゾル

広兼

温室効果ガスの波長ごとや高さ方向の赤外放射については、一般の人にはちょっと理解しにくいかと思います。

向井

どの高度でどの温室効果ガスがどれくらい放射をしているのかというのを細かく計算して説明できたらいいのでしょうね。地球温暖化問題に携わる科学者も全体を理解しようとすると、そういうところを見なければなりません。IPCCは対流圏界面(対流圏と成層圏の境界)でのエネルギーバランスを放射強制力という形で示しています。CO2が増えると対流圏は暖まりますが、下からくる赤外がCO2によって吸収されるので成層圏は冷えます。それを定性的に解説しようとすると、IPCC第5次評価報告書(AR5)を読み込まなければなりません。AR5の技術要約には、成層圏と対流圏の関係について以下のような記述があります。「ハロカーボン類がオゾン層を壊すと、成層圏が冷える。成層圏が冷えるので対流圏から出ていく量が増え、対流圏も冷える」。このように、さまざまな物質が対流圏や成層圏のいろいろな位置にあって、それぞれがオゾン(これも温室効果ガス)などさまざまな成分を作り出しながら非常に複雑なメカニズムで地球表面の温度が決まってきます。これに冷却効果を伴うエアロゾルを考慮すると、さらに複雑です。

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広兼

放射平衡に関しては、いろいろな場所(高度)にあるさまざまな物質が多様な役割をしていて、それについてすべてがわかっているわけではないということでしょうか。

向井

大雑把にいうと、温室効果ガスをすべて足したものの半分くらいの量が実際の温暖化に寄与しています。半分が寄与しない理由は、エアロゾルによる冷却効果と考えていいです。

広兼

今のお話は、炭素循環を考えるときに人為的に大気中に排出されたCO2の半分くらいは海洋・陸域が吸収しているのと似たような話でしょうか。だとするともっと力をいれて研究すべきではないですか。

向井

そのとおりです。温室効果ガスのインベントリにおいてもエアロゾルは考慮されてなく、温室効果ガスの放出量だけで計算しています。実際にはエアロゾルが半分くらいを相殺しているので、その分がどうなるかによってまったく予想が違ってきます。

広兼

火山の噴火が起きると火山性エアロゾルの冷却効果で地球表面の温度が下がるといいます。気候モデルの研究者にお聞きしたところ、気候変動の将来予測で、過去の火山噴火についてはスーパーコンピュータで再現できても、将来どのくらいの火山が噴火するかということは組み込まれていないそうです。今後火山噴火が起きれば起きるほど、将来の気温変化は下方修正されるということですか。

向井

代表的濃度パス(RCP[1])では火山の噴火は想定されていませんが、化石燃料の燃焼によって発生する煤など人間活動から排出されるエアロゾルが時間とともにどれくらい減っていくかというのは想定されています。

広兼

想定されていない火山の噴火によってそうした値は変わるかもしれませんね。それは誤差の範囲内に入っていないわけですよね。

向井

ただし、火山噴火による冷却効果の有効期間は数年です。

ローカルな変化からグローバルな変化を捉える難しさ

広兼

“地球温暖化と気候変動” については、ローカルに起こる気候変化や温度変化と、グローバルに起こる地球温暖化の関係についてより深い解説が必要ではないかと感じました。よく強めの寒波が襲来したりすると、温暖化しているのに寒冷化がきたといわれますが、本当に温暖化しているなら、放射平衡的にどこかで辻褄が合っているのではないでしょうか。それを確認する方法はありますか。

向井

放射平衡がずれてエネルギーがたまっていくフェーズならば、エネルギーとしては保存しているはずなので、温度は不均一でもいいですが、全体の温度は少し上がるはずで、仮にですが、そういう関係するすべての温度が正確に測れれば、辻褄はあっていることが証明できるはずです。まあ、そう簡単ではないですがね。一方で、よくある話は、気圧配置は年によって違うのですが、この年はヨーロッパが暑かったけど、この年はアメリカが寒かったとか。そういう内部の構造があるパターンをもっているといわれています。しかし、全体が暑くなったり寒くなったりするのを捉えるのは結構難しいのです。データがあるのはある特定点ですから、ヨーロッパのある年の冬が寒かったからといって、世界全体が寒いとは限らないのです。

広兼

私もそれが言いたかったのです。

向井

よく問題になるのは過去の地球の温度です。過去1000年間の気温上昇を見積もるのは結構難しいのです。

広兼

過去の気温上昇は、よく木の年輪の幅で見積もられています。

向井

木の年輪は、その木が立っている地域性の影響を受けます。1、2本だけ測っているわけではありませんが、そんなにたくさんではないです。また、必ず暑くなる地域とそんなに暑くならない地域があります。暑くならない地域ではあまり関係が見えないのですが、暑い地域で見ると非常に大きな相関があり、過剰な応答が見えるかもしれません。現在の気温が異常かどうか判定するときに過去の気温を知りたいわけですが、南極の氷床コア、木の年輪などがあるにせよ、地球全体の平均を見積もるのは結構困難です。それに過去に遡ろうとすればするほどデータが少ないのです。

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IPCCと国環研は科学的に未解明な部分を明らかにしていく

広兼

地球温暖化のなかでまだわかっていないことは、わからないときちんと説明するのも国立環境研究所(以下、国環研)の役割のような気がします。また、これらのわかっていないことを明らかにしていかなければならないと思います。

向井

そうですね。IPCCは細かく検討しています。さまざまな研究によって新しい説がどんどん出てきますから、IPCCも国環研も科学的に相関が認められそうなことは検討しなければなりません。たとえば、宇宙空間から飛来する宇宙線による雲の形成への影響が温暖化を左右する主原因とする説については、IPCCによると、その可能性はまだゼロとはいえないが低いとされています。一方でそれに対する研究も進んでいますので、今後、今までわれわれが気づかなかったような現象が見つかる可能性もあります。

広兼

『事典』のなかで、水蒸気と温暖化とのかかわりについては、成層圏での飛行機雲の影響が未解明な点としてあげられています。どの程度の影響を及ぼしうるかも未解明なのでしょうか。

向井

成層圏下部を飛んでいる航空機の燃料の燃焼により成層圏の水蒸気の生成が増加すると成層圏が暖まります。上が暖まると対流圏も暖まるという有意な相関があることをIPCCは紹介しています。

もう一つIPCCは、温暖化が進むと対流圏から成層圏に移動する水蒸気が増えるだろうと報告しています。熱帯の対流圏は高いところまであるので、もち上がった大気は南北に輸送され、成層圏に水蒸気を少しですが供給しています。実は成層圏の水蒸気は少しずつ増えているという観測結果があります。

広兼

それは温暖化とどのような関係があるのでしょうか。

向井

温暖化すると対流が強くなります。その分、成層圏に水蒸気が入りやすくなるという説もあります。

広兼

IPCCの報告書以外にはあまり目にしませんので、もっと成層圏の研究が必要ということですか。オゾン層は修復されつつあるということで、地球環境研究センターでも重要な研究テーマにならなくなってきそうですが。

向井

研究の継続は必要です。温暖化が進むと成層圏のオゾンがこれまで以上に増えるともいわれています。成層圏と対流圏の間には熱の交換があり、これがかなりの寄与をしている可能性があります。

CO2の大気中の寿命

広兼

CO2は長寿命温室効果ガスですが、光合成で吸収されてしまう場合は寿命を終えたことになりますか。大気中の寿命について明確には定義されていませんね。CO2は缶詰にしておけばずっとCO2のまま変質しないのでしょうか。

向井

缶詰にすればCO2のままです。大気中の寿命については結構難しいです。CO2の除去は光合成によるものと海洋による吸収とがあります。光合成で除去されても呼吸で戻されます。同様に海洋にも吸収と放出があります。数字でいうと700GtくらいのCO2が大気中にあり、それに対して光合成量は年間100Gt程度で、呼吸で100Gtを戻しています。海洋のことを考慮しなくても、700Gtのうち100Gtは入ったり出たりして入れ替わっています。しかし、陸域生態系や海洋が最終的に吸収するのは、年間1〜4Gt炭素ぐらいでしょうから、700Gtの炭素はなかなかなくならないということになりますね。

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前提となっている数値等に関する知識も重要

広兼

地球温暖化を考える上で非常に基礎的な物理・化学定数、たとえば温室効果ガスの放射吸収強度の数値や、地球のアルベド(約30%)の値についてですが、時代とともに変化するものとあまり変わらないものがあります。これらはどのように定められ、合意されるのでしょうか。IPCCのメタンの地球温暖化係数[1]は、21から25に変わりましたね。これはどういうことなのでしょうか。

向井

まわりの状況によって計算し直しているからです。相対的に変化しています。

広兼

単体としての係数が変化するということは、物理的な性質をきちんと把握していないということですか。

向井

そういうことではありません。CO2の温暖化への寄与率はCO2濃度によって変わりますから、CO2による影響1に対するメタンの係数も変わってきます。それはリニア(直線)的な変化ではありません。

広兼

放射強制力は波長みたいに一義的に決まるものですか。

向井

放射強制力は産業革命以前と比べています。2015年のCO2濃度と産業革命以前の濃度と比べてどれだけワット数が変化したかを比べているので、これは動きません。

広兼

分子量や原子量は正確に測られていることになっていますが、前提にしているものはよもや間違っていたりしないでしょうね。

向井

地球温暖化係数は100年で計算されて、排出量を決めるときにCO2換算にして使われていますが、100年だからいいとかそういったものでなく、ある意味決めごとであり、物理的にかっちりと決まるものではないと思います。

広兼

実は、先日、一般の人から、CO2濃度をNDIR(Non-dispersive infrared absorption method)法で同定できる根拠がどこかに説明されているかと質問されました。たぶん彼はその原理を知りたいのだと思いました。前提にしている部分についてもきちんと説明できるようにならないといけないと思いました。

向井

検出の原理があっても、妨害とかも含めて検討して分析化学が成り立っているので、最後は標準ガスのようなもので校正することにはなります。気候の科学は巨大な情報のかたまりで、すべてを把握している人はあまりいないかもしれません。いろいろな人の協力のもとに成り立っている総合科学みたいなものです。またこれが気候の科学の大きな特徴でもあります。

次の『事典』では科学的な内容が一新する

広兼

次回、『事典』を執筆するとしたら、書きたい内容はありますか。

向井

科学的知見がどんどん増えて、もう少しリアルにこれがこうなっていたというのがわかってくると思いますから、それを書きたいです。

広兼

どんな点がリアルになりそうでしょうか。

向井

まだわからないですが、研究者は誰も一つの研究テーマみたいなものを追求していますが、関連する研究が進めば互いのつながりがよく見えてくるので、切磋琢磨みたいにどんどん研究が展開していくと思われます。ですから、次に『事典』を作るとしたら、科学的な内容が一新する可能性があります。本筋はそんなに変わらないとしても、もっと確定的なことや、重要なことがわかるのではないでしょうか。とくにエアロゾルに関しては、まだあまり理解が進んでいませんから新しい研究成果が書けるといいです。

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広兼

そのためにはどういう研究を進めていけばいいのでしょうか。

向井

モデルの研究も必要ですが、エアロゾルなどの観測が大きく遅れをとっています。

広兼

どんな観測ですか。

向井

エアロゾルの量的なものもそうですが、エアロゾルの中身を見なければなりません。煤など黒色のものは熱を吸収するので、エアロゾルのなかでも温暖化物質ですが、硫酸塩は白色なので寒冷化物質ということになります。そういうふうに区分しながら、どのようなエアロゾルが世界のどのあたりにどれくらいあるかという分布までわかるようにならないといけません。それが、雲の核としてどの程度どの地域で効いているのかなど、あまりよくわかっていないと思います。

広兼

お話を聞いていて、まだまだ明らかにしなければいけないことがたくさんあると思いました。

脚注

  1. 代表的濃度パス(Representative Concentration Pathways: RCP)はIPCC第5次評価報告書で取りまとめられた気候変動予測シナリオで、2100年における1750年に対するおおよその合計放射強制力の変化によって区別される。2100年以降も放射強制力の上昇が続く「高位参照シナリオ(RCP8.5)」、放射強制力が2100年以前に約3W/m2でピークアウトし、その後減少して2100年ごろには2.6W/m2に低下する「低位安定化シナリオ(RCP2.6)」、これらの間に位置して2100年以降に安定化する「高位安定化シナリオ(RCP6.0)」と2100年までに4.5W/m2に安定化する「中位安定化シナリオ(RCP4.5)」の4シナリオがある。RCPシナリオは、「排出シナリオに関する特別報告書(SRES)」のシナリオと比べて、21世紀の気候政策の範囲を表現できるものとなっている。
  2. ある一定期間におよぼす地球温暖化の影響について、CO2の影響を1としたときの係数。京都議定書の第一約束期間は、IPCC第2次評価報告書(1995)の100年間の影響値を用いていたが、2015年提出インベントリ以降(いわゆる京都議定書の第二約束期間)は、IPCC第4次評価報告書(2007)の100年間の影響値(例、CH4: 25、N2O: 298)を用いている。

*このインタビューは2017年1月23日に行われました。

「インタビュー『地球温暖化の事典』に書けなかったこと」は地球環境研究センターウェブサイトにまとめて掲載しています。また、第1回からとりまとめたものをCGER リポートとして発行する予定です。

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