2018年度に、第1回(2018-05-08)の内容と、第2回(2018-05-15)の内容の一部分を、講義のあとで書いたものにもとづいています。
「地球温暖化」ということばは、 単に「地球の温度が上がること」ではない意味で使われている。
大きくわけて、相互に関連はするが区別できるふたつの意味があると思う。 (広く通用する区別ではないが、ここでは) 「地球温暖化」と「地球温暖化問題」という形で区別して表現することにする。
「地球温暖化」は、気候が変化するという自然現象である。 (「気候」とは何か、「変化」と「変動」は同じなのかちがうのか、は、あとで論じる。) ただし、気候の変化の全部ではなく、その原因についての条件がつく。 また、ここで自然現象というのは、人間が関与していないという意味ではなく、 人間も自然物だから人間活動もみな自然現象だという意味でもない。 地球温暖化のおもな原因は、人が化石燃料を燃やすという人間活動である。 その結果、大気中に二酸化炭素が放出される。 そこから、気温が上がるなどの気候の変化にいたる過程が、 自然科学で扱われるような自然現象なのだ。 だから、地球温暖化は、人間活動起源(「人為起源」ともいう)の気候変化だ。 ただし、その全部ではなく、人間活動 と 気候変化 の中間項が、 大気中の二酸化炭素そのほかの温室効果気体の増加 である場合をさす。
この「地球温暖化」は人間社会に影響を与える。 その影響のうちには、つごうのよいこともあるかもしれないが、 困ったこと(悪影響)もある。 これが、人間社会にとっての問題としての「地球温暖化問題」だ。 この「問題」に対する「答え」は、悪影響を減らすための対策、ということになる。 対策のひとつは、変化する気候に人間社会が適応することだ。 もうひとつは、気候を変化させる原因を減らすことによって、 気候の変化を小さくくいとめることだ。 (わたしはまぎらわしいと思うのだが、地球温暖化対策を考える人びとの慣用で、 原因を減らすほうを「緩和策」という。英語では mitigation だ。) さらに、意図的に気候を変えることもありうるか、という議論もある。 もう少し具体的には、第3・4回でふれたい。
2001年以後、地球温暖化の話題は、 「世界の気温が上がった。その原因は二酸化炭素であることがわかった。」 という形で提示されることが多くなった。
1990年代に世界平均地表温度[注]の上昇が明確に見えたので、 「地球温暖化がすでに起きているのだ」と示されたことが、 多くの人がそれを対策が必要な問題だと考えるきっかけになっただろう。
しかし、世界平均地表温度の上昇は、1998年から2014年ごろまで、にぶった。 「地球温暖化は止まった」という言説が聞かれた。
わたしは、「地球温暖化」を、温度の上昇をさして使うのは、うまくないと思う。 原因のほうから規定して「温室効果(あとでのべる)の強化がもたらす気候の変化」をさすべきだと思う。 (予想される代表的な症状として、世界平均地表温度の上昇を含めるのはよいのだが。)
数理物理的アプローチ(あとでのべる)によって気候の変化を考える専門家は、 1975年ごろ、すでに、 (大気中の二酸化炭素濃度の増加と、それがおもに化石燃料燃焼に由来することは 確実になっていたことを前提として)、 これから百年ほどの気候変化は、温室効果による温暖化が主になるだろうという 見通しをもっていた。
このときまだ、世界平均地表温度の上昇は見られていなかった。 あとで見ても、1940年ごろから1970年ごろまでは、世界平均地表温度は上昇しておらず、 北半球平均地表温度は、むしろ下降していた。
だから、「地球温暖化」という考えは、 (温度の観測事実にもとづいてその原因を考えるのではなく) 物理法則と二酸化炭素濃度の観測事実にもとづいて、 将来見通しのほうがさきに得られたのだ。
「気候」という用語の定義を示すことはむずかしい。 わたしは、気候の概念には、次のような発達の過程からくる3層が重なっていると考えている。
気候の「変化」と「変動」とを区別するかどうかは、書き手や文脈によって違う。 対象期間を(たとえば100年間に)決めれば、 その最初と最後のそれぞれ30年平均の状態があきらかにちがう場合は「変化」、 そうでない場合は「変動」が妥当だろう。 対象期間を決めない場合は、区別しないのが妥当だろう。 英語では、「変化」は change、 「変動」はvariation, fluctuationなどにあたることが多いが、 「気候変動に関する政府間パネル(IPCC)」や「気候変動枠組み条約」の「気候変動」はclimate changeに対応する。
【なお、エルニーニョ現象はきちんとした周期はないが、大まかに4年くらいの周期をもつ。 このたぐいは、「天候の年々変動」というのが妥当だろうが、 英語では「天候」にあたる用語がなくて climate variation と言われ、 その直訳で「気候変動」と呼ばれることもある。 また、エルニーニョ現象のたぐいの予報を、英語では climate prediction ということがあるが、 日本語ではふつう「季節予報」という。 この時間規模の話題は、地球温暖化を含む気候変化の話題とは、 (とくに必要のないかぎり)分けておく。】
気候システムは、1975年の文献の図では、大気、海洋、雪氷という部分システムからなる。 その後、部分システムとして陸面(陸水・土壌・陸上生態系)が追加されている。 部分システム間には、物質(ただし水(H2O)だけに注目することが多い)の交換、 エネルギー(熱)の交換、力の交換による相互作用がある。
気候システムは、地球半径(約6千km)に対して、浅い層である。 海洋の平均の深さは 4 km、 大気の深さは決めにくいがここでは高さ 100 km よりも下を考えればよいだろう。 しかし、地表面(地面・海面)付近は、人間や生物が生きている場であるだけでなく、 地球とその外(太陽、宇宙空間)とのエネルギー交換にとっても重要な場である。
「地球システム」ということばは、地球全体をさすこともあるが、 気候システムと同様なひろがりをさすことが多い。 ただし、温度や速度などの物理量に注目した「気候システム」と並列に、 炭素、窒素などの物質の循環に注目し、地球化学過程と生態系の働きとを総合した 「生物地球化学サイクル」を考える。
地球(表層)システムは、 気候システム、生態系、人間社会という部分システムが相互作用している システムだととらえることもできる。 ひとまず、気候システムと生態系をあわせて「自然環境」としておく。 古くから、自然環境は、人間社会を完全に決定するわけではないが、 人間社会のありかたに制約条件をあたえている。 人間活動が自然環境にあたえる影響は、人間活動の規模が小さかったころは、無視できた。 しかし、(少なくとも、いわゆる産業革命以後は) 影響が無視できなくなった。 人間活動が自然環境を改変すると、自然環境が人間活動にあたえる制約も変化する。 この変化のうちには、人間社会にとって困ったこともある。 これが「環境問題」だ(と、わたしは思う)。 とくに、全地球規模(global)の自然環境が改変され、 その影響が世界じゅうの人間社会におよぶのが、「地球(global)環境問題」だ。
地球温暖化問題は、地球環境問題の全部ではないが、その典型的な部分だといえる。
今回ののこりと、第2回は、おもに自然科学の観点で考える。 (ただし自然科学研究を人間のいとなみとして考える科学史・科学論的観点がまじる。)
地球科学では、物理法則にもとづき、原因を想定して結果に向かって考える、 いわば「数理物理的アプローチ」と、 物証にもとづき、それを総合して構造をつかみ、さかのぼって原因を考える、 いわば「博物学的アプローチ」の両方が重要である。 地球内部の研究では、(固体)地球物理学と、地質学が、別々に発達してきた。 大気の研究では、近代科学としての気象学のはじめから物理変数が観測されていたので、 両方が気象学の中でおこなわれてきた。
気候の変化が生態系や人間社会に影響を与える、というとき 問題になるのは、ローカルな気候の状態である。 (これは、現象をグローバルとローカルに分解してローカルのほうという意味ではなく、 グローバルの量の変化をも含むローカルの量の変化という意味。)
また、博物学的アプローチでは、たいてい、まずローカルな対象の状態が観測される。 グローバルな数量をもとめるには、たくさんのローカルな観測を集計・推計する必要がある。
ところが、数理物理的アプローチで気候の変化を考えるときは、 グローバルな気候のほうをさきに考えることになる。 グローバルな気候の変化は、 気候システムがもつエネルギーの総量の変化だ、と考えてみよう (必ずそうだという保証はないが)。 そうすると、気候の変化をもたらす要因は、 気候システム全体にとってのエネルギーの収入あるいは支出を変化させる要因にしぼられる。 具体的には、あとで述べるが、短く言うと、 太陽が出す放射(光)の変化、地球の太陽放射反射率の変化、 地球が宇宙空間に放射(赤外線)を出す効率の変化(これが「温室効果」の変化)だ。
ここでいう「保存」は、不生不滅ということである。
孤立した系(壁をとおして物質もエネルギーも出入りしない箱のようなものを考えてほしい)では、 保存量は、時間とともに変化しない。
開いた系(壁をとおして物質やエネルギーが出入りしうる箱のようなもの)では、 保存量の時間による変化は、壁をとおして出入りする保存量の はいるほうを正として集計した正味の流れにひとしい。
開いた系で定常状態 (系のもつ保存量が変化しない)ならば、 正味の出入りがゼロである。
準定常状態と持続可能性、「ゆく川」
気候システムのいちばん簡単なとらえかたは、エネルギー保存の法則だけを考えることだ。 気候システムのエネルギー総量が増減すれば、グローバルな気候が変化するだろう。 気候システムのもつエネルギーの大部分は内部エネルギーだから、 エネルギーがふえれば温度が上がる、エネルギーが減れば温度が下がると考えてよいだろう。 気候システムのエネルギー総量が変化しなくても、グローバルな気候が変化することはありうる。 しかし、それは、ひとまずたなあげにしておこう。
気候システムのローカルな部分のもつエネルギー量を変化させる原因は、 グローバルな総量を変化させる原因に加えて、 気候システムのうちのある部分からほかの部分へのエネルギーの移動と、 ローカルなエネルギー源がありうる。 だから、気候の変化の原因を考えるときも、気候の変化を予測しようとするときも、 ローカルは、グローバルよりもむずかしいのだ。 (これは、気候変化の影響評価や適応策を考えるときには、残念なことだが、 しかたがない。)
エネルギー収支を変化させる要因のうち、 気候システムの外に由来するものは、気候システムにとって強制作用(forcing)として働く。 気候システム内に由来するものは、フィードバック(feedback)として働く。
気候システムの下(地球の中心に近い側)には、固体地球がある。 固体地球から気候システムへのエネルギー供給(地殻熱流量)は、たしかにある。 ローカルに、とくに火山・温泉地帯では、無視できない。 しかし、全球平均すると、0.1 W/m2程度であり、 太陽からくる放射の気候システムによる吸収(地表面の面積あたり 240 W/m2)に くらべてじゅうぶん小さいので、無視できる。 ([[既] 地球表層のエネルギー収支の主要な項]参照。)
また、産業革命以後は、人間活動によるエネルギー変換によって、 いわゆる人工廃熱が、気候システムへのエネルギー源となっているはずである。 しかしこれも、ローカルには無視できないが、全球平均では地殻熱流量よりもさらに小さい ([[既] 人工廃熱]参照。)
そこで、気候システムのエネルギー収支は、 収入として、太陽からくる放射の吸収、 支出として、地球(地表面と大気を含む)から宇宙空間への放射の射出だけを考えればよい。
電磁波については、[[既] 電磁波]参照。 電磁波は物体とつぎのような相互作用をする。
物体の吸収率(届いた電磁波のうち吸収するわりあい)と、 射出率(射出する電磁波の強さの黒体放射に対するわりあい)とは等しい。 ただしこれは波長別になりたつ性質であり、同じ物質でも波長ごとに吸収率・射出率がちがう。 (例、赤外線の波長域での雪の射出率は1に近い ... いわば「赤外線の目で見れば雪は黒い」。)
大気・海・陸はどのように放射にかかわるか? 太陽放射にとっては、吸収、散乱がある。 層でまとめてみると、散乱の結果は反射と透過になる。 地球放射にとっては、吸収、射出がある。 [[既] 気象にかかわる放射伝達のプロセス] のページ参照。
エネルギー収支を変化させる要因を列挙して検討する。 フィードバックになるものを「[fb]」として示す。 雲とエーロゾルは太陽放射・地球放射の両方にきく。
![[地球温暖化の認識の発達 と 世界平均地表温度の変遷]](image/discovery_in_context.png){kind=link}
![[気候システム cf. 方丈記の冒頭]](http://macroscope.world.coocan.jp/ja/memo/ondanka/20170327/image/16.png){kind=link}