気候システム論
地球環境を考えるうえで重要な物理法則 -- 質量保存、エネルギー保存、エントロピー増大

エントロピーと資源・環境問題

エントロピーと資源・環境問題

エントロピーは、資源問題や環境問題を考える際に有効な概念である。 日常あるいは経済の文脈で、「エネルギーを消費する」という表現がよく使われる。 これは、エネルギー保存則と矛盾しない形で述べると、 エネルギーが減るのではなく、 エントロピーの小さいエネルギーがエントロピーの大きいエネルギーに変わることだと言える。 エネルギー資源とは、エントロピーの低いエネルギーだと考えてよいだろう。 また、汚れたものは、きれいなものよりもエントロピーが大きいのがふつうである。 汚水浄化は、水と溶けていた物質とを分離してエントロピーを減らすことである。

しかし、エントロピーは直接観測できる量でない(エネルギーよりさらに間接的である)。 また、保存則の場合と違って、収支解析で未知の項目の値を求めることができない(その上限または下限を指摘することができるだけである)。 したがって、人間生活にとって意味のある問題について エントロピーの数量を具体的に示した事例はまだ少ない。 意欲のあるみなさんに挑戦していただきたい課題である。

エントロピーと資源・環境問題との関係を述べた人はあちこちにいると思うが、 日本で明確に述べたのは槌田(1978, 1982)である。

【なお、槌田氏は、最近の著作(槌田, 2002, 2006)で、 人間活動起源の地球温暖化を否定している。 わたしの判断では、その議論はまちがっている。 そのうちいくつかの点については増田ほか(2006)で述べた。 わたしの判断では、 槌田氏の1970-80年代の著作での地球の気候の平均状態の説明は大筋で正しい。 しかし、その説明に使われた概念モデルは、 気候の変化を論じるためには、単純化されすぎている。 平均状態の説明では省略できても、変化の議論では省略できない要素があるのだ。】

物理学を基礎とし資源・環境問題に適用可能なエントロピー論に関しては、 白鳥・中山(1995)、中山(2003)、白鳥(2004)の中山氏担当の章などをおすすめしたい。

具体的な資源・環境問題をエントロピーを使って論じた例は少ないが、 田井(1985)の汚水処理に関する議論がある [図のページ: 臨時かつ学内限定]。 汚水処理は、混合物を分離することなので、物質のエントロピーを減らすことである。 このプロセスを継続して実行しようとすれば、 汚水浄化設備のエントロピーはぼ一定に保たなければならないが、 プロセス自体が不可逆なので、 設備から出るエントロピーの流れが、設備にはいるエントロピーの流れよりも大きくなければならない。 そのためには、物質のほかにエネルギーの流れをつくり、 出るエネルギーのエントロピーがはいるエネルギーのエントロピーよりもじゅうぶん多くすればよい。 たとえば電力を使うとすれば、 エネルギーが電力から常温の熱に変わることによってエントロピーがふえる。 その増加ぶんを上限として水のエントロピーを減らすことができる。

また、直接にエントロピーという量の値を求めているとは限らないが、 その考え方を応用して実際の資源・廃物問題を論じている例として、 中山(2003)の井野博満氏担当部分、河宮(1995)などがある。

地球のエントロピー収支と資源・環境問題

地球のエントロピー収支の概略は、 [「地球全体としてのエネルギーの出入り」の回]で述べる。 これは、緯度・海陸などの違いを無視、鉛直構造もとりあえず無視した0次元モデルであり、 また、定常、つまり地球のもつエネルギーは時間とともに変化しないと仮定している。 ここから、地球上のすべての不可逆現象で単位時間あたりに発生するエントロピーの合計値を見積もることができる。 これは地球上で起こる、仕事の生産およびエントロピーの低い物質の生産の、上限を制約するものといえる(現実的上限からはかけはなれているが)。

地球のエントロピー収支に関する定量的理解は、 これまで混乱がみられた理論的わくぐみが小澤 久さん(現所属: 広島大学、文献 Ozawa et al. 2003)によってだいぶ整理されたばかりで、 具体的な観測データに基づいての議論が期待できるのはこれからだと思う。 小沢さんの議論のうちここで関連する部分は [別ページ: 0次元的に見た気候システムのエネルギー収支・エントロピー収支]で紹介した。 ここではそれを簡略化して地球で発生するエントロピーを大きく2つに分けてみる。 太陽放射が吸収されるその場で発生するぶん(a...別ページの第1・2項)と、 それ以外(b...別ページの第3・4項)である。 太陽放射が吸収される場所の温度の平均をTs = 300 K (概算)としておく。 (a)はQ1の温度が5800 Kから300 Kまで下がることに伴うもの (Q1/Ts - Q1/T1)、 (b)は300 Kから255 Kまで下がることに伴うもの (Q1/T2 - Q1/Ts)である。 風・海流・川の流れを含む大気・水圏の運動エネルギーの生成、 およびそれを原因とする多くの地球表層で起こる現象は(b)によって起こされている。 (a)で起こるエネルギーに伴うエントロピーの増加は、 植物の光合成とオゾンなどがからむ光化学反応では 物質のエントロピーを減らすことに役立っているが、 大部分は「むだ」になっている。 (なお、陸上植物による光合成については、 水の蒸散が伴うので、(a)よりも(b)が重要だという考えもある。 両方がきいていることはまちがいないと思うが、定量的評価がよくわからないので ここでは暫定的に(a)が主と考えておく。)

【なお、いったん運動エネルギーや位置エネルギーなどの エントロピーを伴わない形になったエネルギーも、 その後、摩擦(典型的な不可逆過程、上の(b)に含まれる)によって熱に変えられ、 最終的に地球外に運び出されるエネルギーQ2 (代表温度T2)に含まれる。】

人間の使うエネルギー資源について考えてみると、 バイオマス(食料を含む)は(a)の利用、化石燃料は過去の(a)の利用と言える。 太陽電池も(製造工程を別として利用の段階では)(a)の利用である。 風力、水力などは(b)の利用である。 太陽熱利用も、放射吸収物体は地表面よりは高温になっているが、(b)の同類である。

地球がほぼ定常状態にあるとすれば、 地球のもつエントロピーを 物質のもつエントロピーと エネルギーのもつエントロピーとに分けた場合、 それぞれがほぼ一定である(時間とともに変化しない)。 ところが地球とその外との間のエントロピーのやりとりはエネルギーに伴うものしかないから、 地球上で不可逆過程に伴って生じた物質のエントロピーの増加を打ち消すように、 物質のエントロピーをエネルギーのエントロピーに移すプロセス (それ自身不可逆過程なのでエントロピーの発生を伴うが)が起こっているはずである。 これを「物質の浄化」と呼ぶこともできるだろう。 田井(1985)が、汚水処理や金属の精錬などの人工的なプロセスを例に述べている。 自然のプロセスで浄化されない物質については、 エネルギー資源を投入して人工的に浄化をすることが、 地球環境をほぼ定常状態に保つために必要となる。

文献 (著者名ABC順)


2008-04-21, 2009-04-02, 2011-03-27, 2018-05-13
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
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