(序論 1) 人類による資源利用と大気汚染の歴史的概観

• ヒトは火をつかうようになった。それにともなって大気汚染も生じた。
  • 野外の火事による環境変化
    • 意図的に変える ... 森林から草地や農地への転換 (焼き畑をふくむ)。 数十年で復活するばあい、不可逆なばあい。
    • 意図しない火事 (失火)
    • 人間どうしの争いにともなう火事
  • 燃料としてのバイオマス (現生の生物の光合成でつくられた炭素化合物を主とする物体)
    • 利用目的
      • 調理や暖房
      • 「やきもの」(土器・陶磁器類) の生産
      • 金属の精錬と加工
      • (「産業革命」まえは、動力を得るための利用はなかった。)
    • 方法
      • 「薪」(木材)、「柴」[芝ではない] (木の枝葉類)、(乾燥地帯での) 牛糞、などを 「いろり」、「かまど」、「ストーブ」、「暖炉」などで燃やす。
      • 炭焼き (木材の乾留)で、炭素 (black carbon) を主とする 炭[すみ] と 他の成分とを分離する。炭を燃料としてつかう。
    • 室内大気汚染
      • いまでも室内でのバイオマス燃焼をつづけている国々では国民健康上の重要な問題。
        • (外) WHO: Newsroom/ Fact sheets/ Detail/ [Household air pollution]
      • 物質
        • 煙 (エーロゾルのうちの粒子状物質。) 一般的な粒子を吸いこむ問題、特殊な有害物質の問題。
        • (おもに炭をつかうばあい) 一酸化炭素 (CO)。
        • (この節の話題の外だが、おもに石油をつかうばあい) 燃料の揮発成分。
      • 室内環境をよくするために換気すると、野外の環境汚染をまねくこともある。
    • バイオマス燃焼の煙による (野外の) 大気汚染
      • (たぶん燃料としての利用ではないが) 農業残渣 の (廃物処分、灰分の肥料化のための) 野焼きの煙
        • イネならば「わら」、「もみがら」など
        • 1990年代のタイ北部で、乾季の3-4月ごろ、サトウキビの収穫後の切り株を焼く。煙が問題になっていた。
        • 肥料化ならば、窒素分もつかえる堆肥化のほうがよいといわれている。
    • バイオマスを取り去られた森林などの植生の衰退、土壌の荒廃 (この授業ではこれ以上ふれない予定)。
• 土地被覆変化による砂ぼこり・土ぼこりの増加も、大気環境変化であり、広い意味の大気汚染ともいえるかもしれないが、 この授業では重点をおかない。
• いわゆる産業革命 (industrialization, 工業化) ... 化石燃料の利用、とくに動力を得るための利用がはじまる。
  • それより前の時代の動力源: 人力、家畜力、水力、(限定的だが) 風力。
  • 化石燃料 ... 石炭、石油、天然ガス。酸化還元の軸でCO₂よりも還元側の炭素化合物をふくむ。 過去の植物の光合成による有機物が変質したもの。 (天然ガスには生物起源でない過去の地質プロセスによるものもあるかもしれない。) 人類の歴史よりも長い時間をかけてできたものを、人類は短期間に消費 (酸化・分解) している。
  • 石炭 (英語 coal) の利用 ... 中国の北宋の時代 (10世紀ごろ) すでにつかわれていた。 ただし、燃料として。
  • 石炭の動力への利用。19世紀はじめの西ヨーロッパからはじまり、19世紀末までに日本などにも普及。
    • 実用的蒸気機関の発明 (それまでにも蒸気機関はあったが実用的とはいいがたかった。) ... ワット (James Watt), 1776年。 ただしワットは特許の利用許可にきびしかったので利用者がふえたのは1800年ごろから。
    • イギリスでは石炭と鉄鉱石を産出したので、石炭を燃料とし鉄を材料とする機関をつくることができた。 ただし、石炭の産出には炭鉱の水をぬく必要があり、動力が必要だった。
    • 蒸気機関は揚水ポンプ、工場の動力、機関車、汽船などにつかわれ、工業と運輸の能力がけたちがいに高まった。... 「産業革命」の主要部。
  • 石炭の製鉄への利用。石炭を乾留して、炭素を主成分とするコークスをつくる。 (副産物としてタール (コールタール) という液体ができる。) コークスを還元剤として鉄鉱石から鉄をつくる。
  • 石炭の燃焼による大気汚染
    • 煤煙 (浮遊粒子状物質) と、硫黄酸化物 (二酸化イオウ SO₂)・それが大気中で反応してできた硫酸 (H₂SO₄) が、人体に有害。
    • 煙突を高くすると濃度はさがるが広域の汚染となる。
    • 19世紀末 ロンドンのスモッグ (smog) (当時の新造語 smoke + fog)。
      • 藤田 慎一 (2012) 『酸性雨から越境大気汚染へ』 の第3章第1節の話題。 1880年代から雨の化学成分の観測がおこなわれ、硫酸濃度と発生源の関係などが論じられた。
    • 徐々に発生源の規制、排気浄化設備の設置がすすむ。
  • 石炭から石油への燃料の交代 ... 20世紀はじめごろから20世紀末ごろまでに進行
    • 内燃機関 (ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ターボジェットエンジン) による自動車、飛行機の普及。(船の動力も石油を燃料とする内燃機関であることが多くなった。)
    • 大気汚染に関しては、煤煙は減ったが、硫黄酸化物はやはりあった。 内燃機関内などの高温の場で空気中の窒素と酸素が反応することによる窒素酸化物がふえた。また燃料の炭化水素のもれだしもあった。
    • 「光化学スモッグ」。大気中の窒素酸化物や炭化水素が太陽光の紫外線をうけて反応し、 健康に有害な「オキシダント」 (「酸化能力をもつもの」という意味。主成分はオゾンであるとわかった) がつくられた。(あとの回で論じる予定。)
  • 石油から天然ガスへの燃料の交代 ... 21世紀はじめごろ進行中
    • 大気汚染に関しては、煤煙、硫黄酸化物は少なくなった。燃料のメタンなどのもれだしによる汚染、光化学スモッグなどがありうる。
  • 世界では、なお、化石燃料のうち石炭のわりあいが大きい。 日本などでは発電所などの排気の浄化ができているので粉塵による大気汚染は少ない (固体廃棄物はでる)。 しかし、多くの国ではまだ石炭火力発電所が粉塵などによる大気汚染源になっている。
• 合成化学工業の発達 (「第二次産業革命」といわれることのあるものごとの一環)
  • ソーダ工業。19世紀後半ごろから発達。塩化ナトリウム (NaCl) から炭酸ナトリウム (Na₂CO₃, 炭酸ソーダ)、 水酸化ナトリウム (NaOH, カセイソーダ) などをつくる。 副産物の塩素 (Cl₂) または 塩化水素 (HCl) が放出されて大気汚染となった。 規制がおこなわれ、塩素を回収して利用するように変わっていった。
    • 藤田 慎一 (2012) 『酸性雨から越境大気汚染へ』 の第1章の話題。あとにでてくる酸性雨とは主要物質がちがうのだが。
  • 石炭化学。19世紀末ごろ発達。コールタールにふくまれる炭素化合物から、染料や医薬品など さまざまな化合物を合成する産業が発達した。
  • 空中窒素固定。窒素 (N₂) と 水素 (H₂) を化合させてアンモニア (NH₃) を 合成する技術 (ハーバー[Haber] - ボッシュ[Bosch]法) ができ (1906年)、 アンモニアから硫酸アンモニウムや尿素などが合成されて窒素肥料としてつかわれた (20世紀なかば以後に世界に普及した)。 また、アンモニアは火薬の原料ともなり、この技術には軍事的重要性もあった。 窒素肥料は地球上の窒素循環に大きな影響をあたえている。
    • ここまでの話題についての読みもの (ただし、本のはじめの話題は、社会の側からみて同類ではあるが別の、リン鉱石の話。
      • トーマス ヘイガー [Hager] 著, 渡会 圭子 訳, 2010: 『大気を変える錬金術 -- ハーバー、ボッシュと化学の世紀』。みすず書房。 [読書メモ]
    • 大気汚染については、アンモニアが、ローカルな汚染源になるほか、 酸化して (N₂ におちつかずに) 窒素酸化物にくわわっているようである。 酸性雨の回でまたふれる予定。
  • 石油化学。20世紀後半に発達。石油のうち揮発性の成分 (炭素原子数が10個ぐらい) を ふくむ「ナフサ」から出発し、まずエチレン (CH₂=CH₂) をつくり、 それからポリエチレンをはじめとするさまざまな炭素化合物をつくっていく。 合成プラントどうしが、一方の産物が他方の原料となる関係などで接続された 「石油コンビナート」がつくられた。 (「コンビナート」kombinat は英語の combination にあたるロシア語から。)
    • 石油コンビナートの排気は、粉塵は少なかったが、硫黄酸化物をふくんでいた 「白いスモッグ」で、日本の「四日市ぜんそく」を代表とする健康被害をもたらした。 おくればせながら規制が進み、「脱硫装置」 (排煙脱硫と石油脱硫がある) が導入されて この大気汚染は減った。
  • 石油化学によって、プラスチック (「合成樹脂」) 類をはじめとするさまざまな製品がつくられ、現代の生活にかかせないものになった。
    • とくにこの意味で (運輸の石油への依存の件もあるが)、現代は「石油文明の時代」といわれることがある。
    • ハロカーボン (ハロゲン元素と炭素の化合物)、 とくにクロロフルオロカーボン (Cl, F, C の化合物) が合成され利用された。 (のち、オゾン層破壊の原因とわかって規制された。あとの回で論じる予定。)
• 原子核反応の利用
  • 核分裂と核融合のエネルギーの利用は、20世紀なかばに、まず核兵器 (核分裂による「原子爆弾」と核融合による「水素爆弾」) としてはじまった。 広島と長崎での使用と多数の核実験によって、大気中に多様な放射性核種が放出された。 その量は、1960年代に多かった。 1960年代末までには、それまでの核兵器保有国のあいだで、大気圏内の核実験をしない という合意がえられて (地下は別)、この種類の汚染は減った。(しかし、その後に核兵器を保有した国もある。)
  • 原子力発電も核分裂のエネルギーの利用である。 核分裂によって高温熱源をつくり、蒸気機関をまわす。 原子力発電はいくつかの国のエネルギー源として無視できないわりあいをしめているが、 化石燃料による火力発電 (および内燃機関の利用) にくらべれば副次的である。 (「原子力文明の時代」は来ていない。) 原子力発電の副産物として、多様な放射性核種をふくむ廃棄物がでる。 しかしその質量は石炭火力の固体廃棄物などにくらべて小さい。 したがって、事故がなければ、原子力発電がもたらす汚染は火力発電にくらべて (物質がちがうので単純にはくらべられないが) 相対的に小さいといえそうだ。 しかし、事故が生じると、多様な放射性核種が環境に放出され、複雑な汚染が生じる。
  • 放射性核種は、微量でも、検出でき、定量的な測定ができる。 したがって、放射性核種をおいかけることは、地球上の物質循環の解明に有用だった。 【[地学 II] の海洋のところで、海洋深層循環の解明にふれる予定。】 放射性核種のおかげで、(放射性でない) いろいろな汚染物質の動態がわかってきた面もある。