2006年度「地球設計論」第1回(2006年9月29日)

地球の現状 -- 地球システム科学からのアプローチ

【福井弘道先生担当の「地球設計論」の1回ぶんを、 増田が代講として担当したものです。 福井先生の外国出張のつごうで第1回となりましたが、 予告されていたシラバスの第2回に相当する内容です。】

【この内容に関連する、わたしが作成したページが、 個人サイトの[気候システム論](東京農工大学「環境気象学」教材)、 [読書ノート(教材関係)][読書ノート(一般)]など、 および慶応サイト内[2011年に個人サイトへ移動]の [地球システム論][地球環境観測][著作物][覚え書き]など、 の中にもあります。 そのいくつかはこのページから[リンク]の形で参照しました。 リンク先が移動したところは書きかえていますが、 書きかえがうまくいっていないところもあるかもしれません。】


(1) 地球システムと地球環境問題

ここでは地球の立場ではなく人間社会の必要性からとらえた地球システムを考える。

地球システムは、 (物理的)自然システム生物システム (生態系)、 人間システム (社会)の3つに分け、それぞれが相互作用するものとして とらえることができる (島津康男のいう「地球トータルシステム」、島津ほか, 1975) [図(気候システム論の序論)]。 (この図1の対角線のますはそれぞれ自律的なシステムであり、 それ以外のますは、対角線にあるシステムどうしの影響関係を示す。 図2のように時計まわりの矢印を補ってみるとよい。) ただしもちろん、この3つは厳密に分かれているわけではない。 (たとえば、人がものを食べることは、物質・エネルギーの移動でもあるし、 食物連鎖の一部でもある。)

自然システムが人間システムに影響を与えていることは当然のことである。 人間社会のありかたが自然環境によって完全に決定されるという 強い環境決定論はたぶん正しくないと思うが、 環境が社会を大きく制約するという弱い環境決定論は正しい。 人間システムが自然システムに与える影響も、 少なくとも現代には、無視できない。 ここで「無視できない」というのは、 それによって自然が変化し、人間社会に対する制約条件が変化すること、つまり、 人間→自然→人間のフィードバックを考えることが必要になったという意味である。 農業の始まりは生態系に大きな影響を与え、 その変化がその地域の人間社会に影響を与えたことは確かだが、 物理的自然システムに対しても(その変化から人間システムへのはねかえりが無視できないような)影響を与えたかどうかには賛否両論があるようだ。 しかし産業革命以来 [この用語についての言いわけ] の人間活動からの影響が大きいことはまちがいなく、 ことに20世紀後半には、 そのうちに全地球規模(global)で働くものもあることが明らかになった。 「地球環境問題」という用語はいろいろな意味づけができるが、 わたしは、「人類が生存を続けるためには、 このフィードバックループ(とくに全地球規模のもの)を考慮し、 それを制御していかなければならない」という問題なのだと思う。

【1920〜1950年には、 今から思えば人間から自然システムへの影響はすでに無視できなくなっていたのだが、 当時の人々は、自然システムはじゅうぶん大きいので、 人間活動からの影響は無視できるという感覚をもっていたようだ(Weart, 2003)。 もっとも、昔の人がずっと人間活動からの影響は小さいと思っていたわけではない。 アメリカ合衆国の独立前後(産業革命前)には、農業開拓が気候を変えるという考えを もつ人が多かった(Fleming, 1998; Chastellux, 1772)。 ただし、開拓による気候変化は人類にとって害ではなく利益になるほうに向かうと考えられていた。】


(2) 地球環境問題の一面としての地球温暖化

地球温暖化 は、この地球環境問題の一側面であり、 人間→自然→人間のフィードバックの典型であると言える。 けっしてその圧倒的大部分ではないが、無視できる問題でもないと思う。

温暖化自体については別ページ ([気候システム論: 地球温暖化][日本第四紀学会で講演した内容])を参照してほしい。

自然システムの状態がある幅のうちに安定しているとき、 生態系はそれに適応した形をとる。 自然システムの状態が変化すれば、生態系はその変化に適応しようとするだろう。 しかし、第1に、変化が速すぎると生態系の適応が間に合わないおそれがある。 第2に、気候の変化に対する生態系の適応のしかたのひとつは移動することであるが、 人間活動の影響として(温暖化を起こす大気成分改変のほかに)土地利用改変があり、 たとえ自然植生が残されていても、 農地、牧場、都市、ダムなどの構造物によって分断されているので、 適応能力は下がっていることに注意が必要である。 土地利用改変はとりかえしのつかない場合もあるが、 人類として、これ以上生態系の適応能力を低下させないための努力をすべきだろう。

人間社会も、自然システムおよび生態系の状態に適応して発達している。 このため、気候が大きく変化すると、 その影響は人間社会にとって得になるものよりも損になるものが多くなると 予想される。 また、得をする人と損をする人は同じではなく、埋め合わせは困難である。 したがって、気候の変化を小さくとどめるべきだという価値判断は正当だと思う。 ただし、気候を変化させる要因は人間活動の影響以外にもある。 また、残念ながら、温暖化は軽減はできても止めることはできない見こみである。 人間社会の気候変化への適応範囲を広げることは、いずれにしても必要である。


(3) 物理法則に注目すること

【(3)〜(5)の内容については、重複するところもあるが、 [気候システム論の物理法則の回]も参照してほしい。】

人間社会も生態系も、物理的自然システムの一部でもあり、 物理法則はその重要な制約条件になっている。 物理法則の「法則」は英語ではlawだが、法律と違って「破る」ことはできない。 現実に「法則」と呼ばれるものは人間が認識したものであるから、 絶対的に正しいとは限らない。 すでに近似にすぎないことがわかっているものもある。 しかし、それが成り立たないことを期待して行動するのは愚かである。


(4) 質量保存、エネルギー保存

まず考えるべき物理法則として、 質量保存 (物質不滅)と、 エネルギー保存 (熱力学第一法則)がある。 ここでいう「保存」とは、不生不滅ということである。 ここで熱力学用語としての「系」(システム)ということばを使う。 厳密に定義するのはむずかしいが、とりあえず箱のようなものを考えてほしい。 量Xの保存が成り立つとは、 孤立した(量Xが出入りしない)系では、Xが時間とともに変化しないことであり、 開いた(量Xが出入りする)系では、Xの時間変化がXの正味の出入り(入り - 出)に等しいことである。

【[注意1] Einsteinが1905年に提唱した相対論によって、 質量保存とエネルギー保存とは厳密には別々に成り立たないことが示された。 質量とエネルギーは、ある意味で等価、つまり置きかえ可能なのである。 地球科学でも、地球史的時間スケールを扱う場合など、 質量とエネルギーとの間の変換を無視できない場合もあることはあるが、 地球環境の議論の大部分の文脈では、両者がそれぞれ保存すると考えてよく、 そのほうが数量を出しながら考えるうえで有効である。】

【[注意2] 「開いた系」「閉じた系」という用語が 使われることが多いが、その意味は人によって違う。 たとえば、地球と宇宙空間の間では、 物質の出入りは無視できるが、エネルギーの出入りは無視できない。 そこで、地球のことを、 物質に注目して「閉じた系」という人(化学者に多い)と、 エネルギーに注目して、 あるいは物質・エネルギーの区別はできないと考えて 「開いた系」という人(物理学者に多い)がいる。 わたしは、地球は「物質については閉じているがエネルギーについては開いた系」と いう表現をすることがある。】

保存則にもとづいてできることのひとつは 収支解析である。 保存則を表わす式のうちひとつの項目がわからないときは、それを推定できる。 また、全部の項目がわかっていれば、各項の重要性の評価や、精度の検討ができる。 一例として「水収支」がある、 これは、水(固体・液体・気体の3相を含むH2Oという物質)についての 質量保存を考えることである。 水についての質量保存は厳密に成り立っているわけではなく、 水とほかの物質との間の化学変化を、 水の質量のsource(源)・sink(みなずえ?)[この用語についての言いわけ]の項として追加する必要がある。 しかし、水の出入りのある「箱」について収支を考える際には、 数量として、源の項は出入りの項に比べて小さい(桁が落ちる)ことが多く、 その場合は水の質量を保存する量とみなすことができる。 もう少し具体的な話は、[地球環境観測: 大気・流域水収支][気候システム論:流域水収支の季節変化]参照。】

もうひとつは、時間発展型シミュレーションである。 保存する量の出入りを全部数えつくすことによって、 その量が微小時間にどれだけ変化するかを求めることができ、 それを現在の値に加えることを逐次くりかえして 将来の値を予測する計算をすることができる。 毎日の天気予報の基礎として気象庁で行なわれている「数値予報」は、 基本的には、大気についてのこのような保存則に基づく計算である [地球環境観測: 気象の観測から予報まで]。 また、温暖化予測シミュレーションといわれるものの主要部分は、 大気と海洋を合わせたシステムについての、このような保存則に基づく計算である [気候システム論: 地球温暖化]


(5) エントロピー増大 (熱力学第二法則)

おもな物理法則の3つめとして、 エントロピー増大 (熱力学第二法則)がある。 保存則に対応する形で書けば、次のようになる。

量Xをエントロピーとすれば、 孤立した(量Xが出入りしない)系では、Xは時間とともに減らない。 開いた(量Xが出入りする)系では、Xの時間変化は正味の出入り+発生量であり、 発生量は正である。

これは自然界(生物・人間システムを含む)で起こりうることの制約となる重要なことがらである。 Snow (1959)はこれを現代の知識人の必須の知識のひとつだと言っているが、 わたしも賛同する。

【この法則を説明した本はたくさんあるが、 朝永(1979、とくに上巻第2章)をおすすめしておく。 これはこの概念が成立した歴史を紹介している (科学史的に厳密な記述をめざしたものではなく、 今の物理学の観点からの整理だが)。】

熱力学第二法則が示している制約は、要するにもどせなさ (不可逆性) [この用語についての言いわけ] である。 つまり、混ざったものはひとりでに分離しないということである。 溶解したものを分離することのむずかしさ、 あるいは、高温のものと低温のものを混ぜた場合を考えてみてほしい。

熱力学成立のきっかけは、蒸気機関の効率の限界を考えることだった。 蒸気機関を抽象化して、 高温源(温度T1)からQ1だけの熱を取り出し、 低温源(温度T2)へQ2だけの熱を与え、 仕事Wを取り出す熱機関を考える。 エネルギー保存から、Q1 = W + Q2である。 しかし、熱機関の効率 W / Q1には、理論的上限がある。 これを説明するためにエントロピーという量が考えられた。 エネルギーがやりとりされるとき、仕事ならばエントロピーを伴わないが、 熱はエネルギーを(絶対)温度で割っただけのエントロピーを伴う。 この熱機関では、高温源からQ1/T1、 低温源へQ2/T2だけのエントロピーが移動する。 エントロピー増大とは、Q1/T1 ≦ Q2//T1である。 つまりここでQ2/T2 - Q1/T1だけのエントロピーが発生する。

エネルギーに伴うエントロピーのほかに、物質に伴うエントロピーがある。 混合した物質は、その成分が別々にある状態に比べて、エントロピーが大きい。

エントロピーを発生させるような不可逆過程にともなって、 エネルギーの一部が エントロピーを伴わない運動エネルギー・位置エネルギー・電力の形に変えられたり、 物質の一部がエントロピーの小さい形に変えられることもある。 しかしどちらもなく、「むだ」にエントロピーが発生する (エントロピーが減る部分がない)こともありうる。


(6) エントロピーと資源・環境問題

【大部分重複するが、 [気候システム論: エントロピーと資源・環境問題]も参照してほしい。】

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。 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。


(7) 地球(大気・水圏)の準定常状態のエネルギー収支

【重複するところもあるが、 [気候システム論: 地球全体としてのエネルギー収支] 、Hartmann (1994, とくに2章), 増田(2000)も参照してほしい。】

地球の大気・水圏全体のエネルギー収支を考えてみる。 その出入りは基本的に、太陽から、また宇宙空間への 電磁波( [気候システム論: 電磁波]参照)のやりとりである。 地球内部とのエネルギーのやりとりはゼロではないが、相対的に無視できる。

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次元モデルで考える。 便宜上、地球の表面の面積あたりで考える(総量を求めるには面積をかければよい)。 エネルギー貯留量の増減の話題はあとで扱うが、ここでは定常、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する。 地球に達する太陽の放射(電磁波)のエネルギーは、 それに正面を向けた面に対してS = 1370 W / m2である。 地球の表面積あたりにするとその1/4となる。 地球はそのうちα = 0.3の割合の部分を反射する。 この部分は地球が受け取るエネルギーに含めないのがよい。 つまり、地球が受け取るエネルギーQ1は、面積(m2)あたり、 時間(秒)あたりで、Q1 = (1-α)(S/4)のように書くことができる。 定常の仮定から、地球が出すエネルギーQ2はQ1に等しい。


(8) 地球(大気・水圏)の準定常状態のエントロピー収支の考えかた

【重複するところもあるが、 [気候システム論: 0次元的に見た気候システム(大気・海・陸)のエネルギー収支・エントロピー収支]も参照してほしい。】

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。 小澤 2005もあるがここでの議論に直接関係しない)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。

地球が出すエネルギーを黒体放射で近似すると、その温度は T2 = 255 Kである。 一方、太陽放射の温度はT1 = 5800 K (いわゆる太陽の表面温度) と考えてよい。 以上から、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)。

小澤さんの議論にしたがって、 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)と、それ以外(b)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では、水の蒸散が伴うので、(b)も働いている。)

【地球表層で起こる現象のなかで、 エネルギーの一部は、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るが、 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(わたしなりに) 地球環境のエントロピーの流れとの関係を考えてみると、 風力、水力、海洋温度差利用などは(b)の利用である。 バイオマス(食料を含む)は(a)+(b)の利用、化石燃料は過去の(a)+(b)の利用と言える。 太陽電池は(製造工程を別として利用の段階では)(a)の利用である。 太陽熱利用は、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。 】


(9) 地球のエネルギー貯留量の変化はどこまでわかっているか

(2)で述べた地球温暖化のプロセスが働いていることは確かであるが、 気候を変化させる要因はほかにもあるので、 実際に気候が温暖化しているかどうかは、これよりはやや不確かな問題である。 (20世紀後半についてはほぼ確かと言ってもよさそうであるが。)

温暖化の指標は全球平均地上気温(海面・地面に近い空気の温度)を使うのが ふつうであるが、因果関係の立場からは、むしろ地球のもつエネルギー 貯留量の変化に注目したほうがよい(Pielke, 2003)。 大気・水圏のエネルギー貯留の大部分は、海水の温度に伴う内部エネルギー、 それにつぐものが、雪氷の相変化に伴う内部エネルギー (氷の内部エネルギーは同じ温度の液体の水よりも小さい)である。 なお、固体地球のエネルギー貯留は全体としてはずっと大きいが、 ここで考えている時間スケールの変化については、 地表面に近い部分だけを考えればよく、その変化量は海洋の場合よりも小さい。

変化を調べるには、出入りに注目する方法と、貯留量に注目する方法がある。

出入りについては、 人工衛星による電磁波の観測が1978年以来あるが、 質のよい観測が必ずしも連続していない ([地球環境観測: 「太陽定数」と地球放射収支の観測])。 また、観測機器のランダム誤差は小さいようなのだが系統誤差(バイアス)があり ( [気候システム論: 地球全体としてのエネルギー収支] の中の「太陽定数」の変化の話、そこで紹介したhttp://www.pmodwrc.chの資料参照)、 現実にありそうな正味の出入りよりも誤差のほうが大きいので、 正味の出入りの符号は不明である ([地球環境観測: 衛星で見た地球のエネルギーの出入り])。

たくわえられているエネルギー量の変化を論じる研究のほうも、 誤差の見積もりが困難ではあるが、最近、20世紀後半50年間の変化について、 もっともらしい結果が得られた。 (だれがどんなデータを使ってどんな数値を出したかは、 [地球環境観測: エネルギー貯留量の変化]を参照してほしい。) 海が主だが、陸や雪氷の寄与もある。 合計では0.25 W / m2程度 (W[ワット]がJ[ジュール]毎秒であることに注意) であり、出入りの量(250W / m2程度)の千分の一の桁である。


(10) 温暖化の時間スケール

気候変化を考えるうえでは、海洋と雪氷のエネルギー貯留が 大気よりもゆっくりと変化することを考慮する必要がある。 しかも、海洋や雪氷はいっせいに変化するわけではなく、 応答が速い部分、遅い部分がある。

温暖化で第一に注目されるのは地上気温の数年平均の値の変化だが、 それは、 ([気候システム論: 地球温暖化]の中で紹介したように) 海洋の表層(数百メートルまで)の温度に伴って変化していくことが わかっており、 したがって、気温が原因にすぐ応答すると考えた場合に比べて、 数十年の遅れがある。

他方、 海水準上昇は、海洋全体(おもに深層)の熱膨張および氷床の融解によるので、 千年程度の時間スケールをもつ。 ([日本第四紀学会で講演した内容]の中で紹介したIPCC報告書の図などを参照してほしい。)

最近、「100年後に海水準が約5m上がるという予測がされた」という報道があったそうだ。 これはたぶん予測計算の意味を誤解した報道である。 100年後の海水準上昇は(不確定の幅はあるが)1m程度と予測されている。 しかし、CO2排出を減らして大気中の濃度の上昇を止めることが できたとしても、濃度は簡単には下がらず、現在より高い準定常状態となるだろう。 そこで、たとえば 「1000年程度、産業革命以前より約3℃高い温度が続き、その間に海水準が約5m上がる」 というのは、確かとは言えないが現実的な予測だと言えるだろう。 すでに行なってしまった人間活動が、将来影響を与えるという意味で、 「人間活動はすでに海水準を5m上げるだけの影響を与えてしまったかもしれない」 とは言える。


参考文献


2006-09-30; 更新 2008-07-28, 2009-04-03, 2011-07-23
増田 耕一 (2006年度 環境情報学部 非常勤講師)
[2006年度秋学期「地球設計論」(福井先生)の入口ページ(リンク切れ)] [2006年度春学期「地球システム論」(増田担当分)の入口ページ]