大気環境変化 (序論 2) この授業であつかう問題群

旧カリキュラムのこの授業の題目「温暖化と酸性雨」は10年以上まえにきめられたものをひきついでいる。 わたしが内容にあわせてつけるならば「地球温暖化と広域大気汚染」とする。

「地球温暖化」

「温暖化」という語のすなおな意味 (専門用語としての意味とはちがう)

• 1. 気温 (大気の温度) が上がること。
  • (「暑い」状態から「あたたかい」状態にむかって温度が下がることを「温暖化」と言いたい人もいるかもしれないが、 それは「すなおでない」用語づかいだとしたい。)
• 2. 何かが、気温を上げようとする働きをすること。
  • 同時に別の何かが 気温を下げようとする (寒冷化する) 働きをすれば、結果として気温は上がらないかもしれない。
    • (例) ガスコンロと冷房用エアコン (クーラー) のある部屋の中の気温
• (補足) [warming, cooling, heating] (2028-12-25)

地球温暖化 (global warming) という語のすなおな意味 (専門用語としての意味とはちがう)

• 1. 世界平均の地上気温 (または 地表温度 [注]) が上がること。
• おそらく世界のあらゆるところで (短い時間スケールの変動をならして50年ぐらい以上の期間の変化傾向をみれば) 地上気温が上がることになるだろう。
• ここでの「地球」は global にあたることばであり、「全地球規模の」という意味でつかわれている。 ただし2次元の球面 (地表面 {=地面と海面} 付近の浅い層) のことであり、3次元の球体の地球全体ではない。
• 2. 世界平均の地上気温 (または 地表温度) を上げようとする働きがあること。
• (補足) [地表面、地表面温度、地上気温] (2012-03-28)
• [注] 地上気温と地表面温度 (海のばあい海面水温) とは別の数量だが、両者をくみあわせてつかうことがある。 それをさす専門用語がさだまっていないので、わたしは「地表温度」ということにした。
• [外] (気象庁) [世界の年平均気温 - 世界の年平均気温偏差の経年変化（1891〜2025年）] (この気象庁のウェブページでは「気温」という表現をしているが、陸上では地上気温、海上では海面水温をつかっており、わたしの用語では「地表温度」である。)

この授業であつかう「地球温暖化」の意味

• 大気中には、赤外線を吸収し射出もする物質がある。 赤外線を吸収・射出する物質がふえることは、地上気温を上げるはたらき [上の「温暖化」の意味 2] がある。
  • (このはたらきを「温室効果」、赤外線を吸収・射出する物質を「温室効果物質」、それが気体であるばあい「温室効果気体」「温室効果ガス」という。)
• 人間が化石燃料 (石炭、石油、天然ガス) をもやしている結果、大気中の二酸化炭素がふえている。
• その結果、気候が変化する。その変化の代表的症状は世界平均の地上気温の上昇 [「温暖化」の意味 1] だが、それだけではない。
  • (成層圏では寒冷化であり、降水や水循環の変化は複雑である。この授業で追い追いあつかう。)

入門的参考書

• 渡部 雅浩, 2018: 『絵でわかる 地球温暖化』。講談社, 185 pp. ISBN 978-4-06-511946-4. [読書メモ]

「酸性雨」をふくむ「広域大気汚染」とは?

「酸性」について

「酸性」は化学の「酸性 対 塩基性」の軸上での位置をさしている。「塩基性」と「アルカリ性」とは同じこと。 しかし「塩基」と「アルカリ」の意味は同じではない。「塩基」のほうが一般的。

水溶液では、酸性 は、水素イオン濃度が高い こと、pH が低い ことに対応する。 (pH [ドイツ語読み ペーハー、英語読み ピーエイチ] は水素イオン濃度の尺度だが、大小が逆であることに注意。)

なお「酸化 対 還元」は別の軸である。区別に注意。 「酸性」は「酸」に、「酸化」は「酸素」に関連するが、「酸」と「酸素」とは基本的に無関係で、 同じ字をつかっているのは科学史上のなりゆきにすぎない。

• (補足) [酸と酸素のまぎらわしさ -- 「acidification」は「酸化」ではない] (2019-05-25)

「酸性雨」という語のすなおな意味 (専門用語としての意味とはちがう)

雨の水素イオン濃度が高い (pH が低い) こと。

1970-1990年代に問題になった「酸性雨」

• 人間の産業活動 (化石燃料の燃焼など) の結果、大気中にイオウ酸化物や窒素酸化物が排出される。
• 大気中の反応によって、イオウ酸化物は硫酸イオン、窒素酸化物は硝酸イオンとなって、雨などの降水粒子や霧粒子にまざる。(その雨は酸性となる。)
• 人体や生物が、その雨にふれること、あるいはその雨がたまった湖などの水にふれることによって、悪い影響をうける。

「広域大気汚染」、「越境大気汚染」

イオウ酸化物や窒素酸化物は、ローカルな大気汚染の原因となっているだけでなく、広域に影響をあたえている。

それが気体あるいはエーロゾル粒子の形で地表に達すること (「乾性沈着」という) も、酸性雨や酸性霧 (「湿性沈着」) におとらず重要である。

• エーロゾル (aerosol) とは、固体や液体の微粒子が空気とともにただよっている状態をいう。
• 気象学や大気化学では、水 (H₂O) を主成分とするエーロゾル粒子 (水滴や氷の結晶) を「雲粒 (くもつぶ)」として別あつかいにし、 それ以外をエーロゾルという。
• 「エーロゾル」という表記は気象庁にあわせたが、ドイツ語読みに由来する。 英語読みに近い表記は「エアロソル」だと思うが、日本語文献では「エアロゾル」と書いていることが多いようだ。

(硫酸・硝酸以外の) エーロゾル (「浮遊性粒子状物質」) も大気汚染の原因となっており、 そのうち比較的小さい粒子 (たとえば、粒径 2.5 μm 以下のものを「PM2.5」という) は広域にひろがる。

とくに国境をこえると解決が困難なので、 社会問題としては「越境大気汚染」としてあつかわれることがおおい。 しかし自然現象としては国境は関係ないので、わたしは原則として「広域大気汚染」という表現をつかう。 「広域」はあいまいであり、空間規模を指定しないと意味がつたわらない。 ここでは、水平スケール 数百 km 以上をさすことにする。 (若松・篠崎 (2001) は、関東平野全体などの 100 km ぐらいの水平スケールも「広域」としている。)

入門的参考書

• 藤田 慎一, 2012: 『酸性雨から越境大気汚染へ』。成山堂書店, 146+4 pp. ISBN 978-4-425-55351-8. [読書メモ] (残念ながらいまは売られていない。図書館の本を独占しないでつかってほしい。わたしの手持ちの本は授業準備に必要なので貸し出せないが見せることはできる。)
• 藤田 慎一、三浦 和彦、大河内 博、速水 洋、松田 和秀、櫻井 達也, (2014, 2017, 2021) 2025: 『越境大気汚染の物理と化学 3訂版』。成山堂書店, 286 pp. ISBN 978-4-425-51364-2. [2訂版の読書メモ]
• 若松 伸司、篠崎 光夫, 2001: 『広域大気汚染 -- そのメカニズムから植物への影響まで』 (ポピュラー・サイエンス 199)。裳華房, 209 pp. ISBN 4-7853-8699-1. [読書メモ]

「地球環境問題」 (わたしのとらえかた) [この部分は第1回でもあつかった]

• 人間社会は自然環境のなかで発達してきた。自然環境は人間社会にとって制約条件である。
• 人間活動が自然環境を改変する。とくに工業化 (産業革命) によって改変の規模が大きくなった。
• 人間社会にとっての制約条件である自然環境が改変されたことが、人間社会にとって困ったことをもたらす。

[(図解) 地球環境問題をシステム的にとらえる]

[(図解) (地球)環境問題: フィードバック (人間-自然-人間)]

ここまでの議論の参考にした本 (いまは売られていないが)

• 島津 康男, 岸保[がんぼ] 勘三郎, 高野 健三, 1975: 『自然の数理』。筑摩書房, 310 pp. [読書メモ]

対策の大分類

困ったことをへらすには、おおきくわけて2つの対策がある。さらに、もっと乱暴な (のぞましくない副作用も大きい) 対策も考えられる。

• 変化した自然環境に、生活や産業のありかたを適応させる。(「適応策」、英語では adaptation)。
• 変化の原因を小さくする(ことによって、環境の変化が小さくなることを期待する)。
  • 地球温暖化対策の文脈では、これを (専門用語として) 「緩和策」(英語では mitigation) という。 影響を緩和することではないので、わたしはなるべくつかいたくない用語だが、地球温暖化対策を論じる際には既存文献にあわせてつかうことがある。 原因が物質の排出であるばあいにかぎっては「排出削減策」という用語が適切だろう。
• (乱暴な対策) 自然環境がのぞましい方向に変化するように、自然環境のシステム (気候システムや物質循環) に介入する。 用語は「ジオエンジニアリング」 「気候工学」 などがあるがいずれもまぎらわしいので、 この授業での用語としては「意図的環境改変」(気候についてのばあいは「意図的気候改変」) としておく。

大気がかかわる (地球) 環境問題

• 地球温暖化
• 都市の温暖化 (ヒートアイランド現象) ... 空間規模が小さく、主要な原因が大気の赤外線吸収・射出ではないので、この授業ではあつかわない。
• 広域大気汚染 (イオウ酸化物、窒素酸化物、浮遊性粒子状物質)
• ローカルな大気汚染 ... 空間規模が小さく、主要な原因物質が事例ごとにちがうので、この授業ではあつかわない。
• オゾン・光化学・紫外線がからむ問題 ... 重要だがこの授業ではあつかいきれない。 「関東の森林衰退の原因が酸性雨かといわれたが、オキシダントらしい」という話を理解できる程度にはふれる予定。
  • 成層圏オゾン減損 ... 全地球規模。主要な原因物質は人間活動起源のハロカーボン類 (ハロゲン元素と炭素をふくむ化合物)。
  • 光化学スモッグ ... 空間規模が小さい。主要な物質は「オキシダント」といわれるが主として(対流圏)オゾン。その原因物質は炭化水素など。

地球温暖化と広域大気汚染の両方にかかわる問題

• 大気中のエーロゾルは、太陽放射を吸収したり散乱したりする (どちらが主かはエーロゾルの成分によってちがう)。 また、赤外線を吸収・射出もする。この両方の効果によって、エーロゾルは大気・地表面のエネルギー収支に影響をあたえ、気候に (複雑な) 影響をあたえる。
  • とくに、硫酸液滴は、太陽放射を散乱する働きが大きく、気候システムにとっては、太陽放射の反射をふやして、寒冷化に働く。
    • 大気汚染の害をへらすためにイオウ酸化物の排出削減はのぞましいことだが、それは気温にとっては正味で温暖化を強めるように働く。 (1960年代-70年代前半に北半球平均地上気温が下がり1980-90年代にかなり急に上がったこと (上記の気象庁のリンク参照) の おもな原因は、大気汚染起源の対流圏エーロゾルかもしれない。)
    • 火山のグローバルな気候におよぼす影響の文脈では成層圏エーロゾル (おもに硫酸液滴) が重要である。
    • 意図的気候改変 (人工的な寒冷化) として、成層圏に硫酸エーロゾルを入れるという案がある。酸性雨が問題になるほどの量にはならないが、 直達日射をへらすので集光型太陽光利用には致命的な害をあたえる。(この授業でくわしくふれるかどうかは未定。)
• オゾンは、紫外線を吸収するほか、赤外線を吸収・射出もする。 また、成層圏オゾン減損の主要な原因物質であるハロカーボン類は赤外線を吸収・射出するはたらきが強い。 したがって、オゾン減損やその対策は、地球温暖化やその対策と複雑にからみあっている。 (この授業でくわしくふれるかどうかは未定。)

海洋酸性化

この授業では簡単にふれる予定。

• 大気中の二酸化炭素濃度が上がると、大気と海洋との二酸化炭素のやりとりにより、海水にとける二酸化炭素がふえる。
• 海水中の 二酸化炭素、炭酸水素イオン、炭酸イオン、水素イオン (など) のあいだの溶解平衡がずれて、水素イオン濃度が上がる (pHが下がる)。
• 海洋中の、炭酸カルシウムの殻をつくる生物 (貝、サンゴなど) の生存に困難をもたらす。

入門的解説

• [外] (国立環境研究所 地球環境センター 野尻 幸宏 2014年) [海から貝が消える？ 海洋酸性化の危機]
• [外] (東京大学 海洋アライアンス 保坂 直紀 2015年) [海が酸性化する] [リンク修正 2024-05-22]

地球温暖化との関係

• 二酸化炭素によっておこる現象だが、赤外線の吸収・射出とは関係ないので、地球温暖化の一部ではない。
• 原因をへらす対策は地球温暖化の「緩和策」ともなる。

酸性雨との関係

• pHの変化としては「酸性雨」と同様の「酸性化」だが、おもな原因物質がちがう。
• 雨にとけた二酸化炭素がふえることによっておきる問題 (大理石の彫刻がとけるなど) もあるが、ふつう「酸性雨」の話題にはふくめない。