「ジオエンジニアリング」(Geoengineering) あるいは「気候工学」(Climate Engineering)ということばが聞かれるようになった。前者は大規模な土木工学や土質工学を意味する場合もあるので、ここでは杉山[1]にならって後者の表現を採用する。
気候工学とは、地球温暖化の対策のうちで、世界規模の気候を意図的に改変しようとする技術的対策群であり、「緩和策」(Mitigation、内容の主な部分は二酸化炭素排出削減策)および「適応策」（Adaptation、気候変化にあわせて人間社会が行動を変えること、たとえば農作物を変更する、洪水頻度が高まるところへの居住を避けるなど）と並ぶものとされることがある。
IPCC(気候変動に関する政府間パネル)は、主要な評価報告書としては初めて、2013〜14年に出された第5次評価報告書(AR5)で気候工学に「ジオエンジニアリング」という表現で言及した[2]【補注】
2015年にアメリカ合衆国科学アカデミーの関連機関National Research Council (全国研究評議会)が報告書[3],[4]を出した(ここでは「NRC2015」と略記する)。主題はここでいう気候工学だが、Engineeringという用語は人間が気候を思いどおりに制御できるような印象を与えるのでまずいとして、Climate Intervention という表現が採用された。また、気候工学は後述のように大きく2種類の技術に分かれ、両者の性格は大きく異なるので、報告書は2冊に分けられた。
ここではNRC2015を手がかりとして、気候工学とはどんな技術群でありどんな課題をかかえているかを展望したい。
人間社会は、大気・水圏・陸面をあわせた地球表層の環境の中で、環境の制約に適応して成立している。気候は、環境のうちの、寒暖・乾湿・風などの大気からくる要因群を、1年よりも長い時間規模でとらえたものである。
人間や生物が直接感じるのはローカルな気候だが、気候の変化の理屈は、世界規模(グローバル)の気候のほうがよくわかっている。エネルギー保存則をはじめとする物理法則に基づいた理解が、とくに1960〜1970年代に進んだのだ。
地球表層という箱のエネルギー収支を考える。この箱は、大気、海洋、雪氷のすべてと、陸の表面から深さ数十mまでの層を含む。上側の境界でのエネルギーの出入りは、太陽からくる電磁波(太陽放射: 可視光・近赤外線)の反射されるぶん以外を吸収することと、大気・海面・陸面が出す電磁波(地球放射: 熱赤外線)が宇宙空間に出ていくことからなる。下側の境界には熱伝導があるが、世界平均すると上側の出入りよりも4桁くらい小さいので、世界規模の気候の議論では省略される。
地球表層全体を平均してみれば、エネルギー収支が収入超過ならば温度が上がり、支出超過ならば温度が下がるだろう。
収入である太陽放射の吸収量を変える要因には、太陽が出す電磁波の量の変化と、地球表層が太陽放射を反射する割合(アルベド)の変化がある。支出である地球放射は、大気が赤外線を吸収し射出する働き(温室効果)の影響を受ける。大気の気体成分のうち温室効果に働くのは3原子以上からなる分子であり、量も考慮して重要な順に水蒸気(H2O)、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)がある。また、大気中に浮遊する固体・液体の微粒子である雲やエーロゾルは、アルベドと温室効果の両方に寄与する。
水(H2O)は相変化して、水蒸気は温室効果、雪氷はアルベド、雲は両方に影響するが、それらの量は大局的には温度とともに変わり、温度変化に対して正または負のフィードバックを構成する。
地球表層の温度の十年から百年の時間規模の変化に対する外因として重要なのは、自然起源では、太陽変動と火山由来エーロゾル、人間活動起源では、いずれも燃料燃焼由来のエーロゾルとCO2である。エーロゾルの効果は複雑だが、硫酸液滴などの太陽放射吸収の小さい粒子の場合は、地球表層のアルベドを高める効果が主となる。
1970年代初め、人間活動による意図しない気候改変が話題になりはじめたころは、エーロゾルの増加による寒冷化とCO2の増加による温暖化のどちらが重要かわからなかった。1970年代末にはCO2のほうが相対的に重要なことがわかってきた。
人間の歴史の中で、気候の変化は、食料生産能力の低下や病気の流行などを通じて、人間社会に打撃を与えてきた。人間社会は、気候の変化に適応することによって生き残ってきた。
近代の科学・技術の発達によって、気候のほうを人間にとって望ましいように変えることへの期待が生じた。第2次大戦後のソビエト連邦で政治の目標の1つとされた「自然改造」には気候の改造の構想も含まれていた。アメリカ合衆国をはじめとする資本主義圏にも、気候を制御したいと期待する人々がいた[7]。しかし研究が進むにつれて、人間活動は気候に影響を与えるが、それを制御することはむずかしいことがわかってきた。
1980年代初めには、気候の専門家の多くが、21世紀に人間活動起源のCO2による温暖化が起きると予想するようになった。それが人間社会に悪影響を与える可能性が懸念された。
NRCが1983年に出した報告書[8]は、対策にも言及し、そのうちに、燃焼排気または大気からCO2を取り除くことや、気候を意図的に改変することもあげた。しかし、前者は技術の基礎が不確かであり、後者は対策の悪影響が起きた場合の利害対立の解決が困難だと判断して、実質的な議論を(今の表現で言えば)適応策と緩和策とにしぼった。
恐らくこのような認識を引き継いで、IPCCや国連気候変動枠組み条約では、対策に関する視野を緩和策と適応策に定めてきた。
21世紀初め、研究者の間で、次のような認識が高まってきた。発展途上国のエネルギー需要の増加が見こまれ、エネルギーあたりの排出量の削減があっても、世界のCO2排出増加の勢いをそぐことはむずかしい。世界平均気温の産業革命前からの変化量が4℃以上に達する可能性は小さくない。人間社会がそれに適応するのは困難だ。
それでもなお、緩和策への政治的意志を弱めることを恐れ、気候工学の議論は避けられてきた。
その流れを変えたのは2006年に出版されたCrutzenによる論説[9]だった。その具体的議論は、太陽放射反射をふやすために成層圏に硫酸エーロゾルを注入する技術について、実施には慎重であるが、研究は推進すべきだというものである。
2009年にはイギリスの科学アカデミーに相当するRoyal Society (王立協会)が、気候工学に関するレビュー報告書[10]を出した。
2011年、IPCCは気候工学に関する専門家会議を開き、AR5でどのように扱うかを検討した。
地球温暖化の対策として考えられている気候工学は、大きく、次の2つに分けられる。
(1)は主に二酸化炭素を除去すること、(2)は主に太陽放射反射をふやすことなので、Royal Society (2009) [10]は、(1)をCarbon Dioxide Removal (CDR: 二酸化炭素除去)、(2)をSolar Radiation Management (SRM: 太陽放射管理)と呼んだ。NRC2015 [4]は、SRMのManagementはEngineeringと同様に不適切と判断し、本文中ではAlbedo Modification、表題ではReflecting Sunlightとした。本稿ではMをModification (改変)の略と変えたうえでSRMを使うことにする。
NRC2015 [3]の記述に従ってCDRの技術を分類し図1にまとめた。緩和策のうちにも、森林育成や二酸化炭素回収隔離(Carbon Dioxide Capture and Sequestration: CCS)などのCO2吸収策が含まれ、それとCDRとの境目は原理的に不明確である。NRC2015 [3]は、空気からの除去はCDR、燃料や燃焼排気からの除去は緩和策、と切り分けた。ただし緩和策に分類した技術でも議論の対象には含めたところもある。わかりにくさが残るが他の妙案もないので暫定的にこれに従う。
CDRの技術は、大きく人工的回収と、自然の炭素循環の改変に分けられる。
人工的な二酸化炭素回収隔離(CCS)は、燃料(燃焼排気または燃料改質過程)から取り出すものと、空気から取り出すもの(直接空気回収: Direct Air Capture)に分けられる。燃料から取り出すものには、化石燃料からのもの(狭い意味のCCS)と、バイオ燃料からのもの(Biomass Energy with CCS: BECCS)がある。
取り出された二酸化炭素の行き先は、海もありうるが国際海洋法などの社会的制約があるので、ほぼ地中(海底の地下を含む)にしぼられる。
CCSの技術はすでに実施されているが、それは石油増進回収への利用を兼ねたものか、公的補助をつけられたものである。それ以外の実施は、CO2排出のペナルティ制度を前提とするだろう。また、既存のCCSの規模は世界合計で数Mt-CO2/yr だが、広い意味のCCSが温暖化対策の重要な部分となるのに必要な規模はその千倍以上であり、隔離のための地下空間の確保(隔離の確実性、安全性、社会的合意形成を含む)が重い政策課題となる。
BECCSは、バイオ燃料栽培のための土地が食料生産や自然生態系保護との競合で制約される。
直接空気回収は、希薄なCO2を濃縮することになるので、原理的に必要となるエネルギーコストが、燃料からのCCSの2倍から10倍かかると見積もられている。吸収技術も新しいものを開発する必要があるかもしれない。
自然の炭素循環の改変は、(1)陸上植生・土壌への貯留の増加、(2)海洋深層への輸送の強化、(3)無機地球化学的な炭素循環への介入に分けられる。
このうち(1)の森林育成や農地・草地の管理は、わりあい成熟した技術だが、食料・バイオ燃料生産や自然生態系保護との競合による限界がある。
(2)のうち有効な規模になりうるものは海洋鉄施肥(鉄分の追加によるプランクトンの生育促進)である。小規模な実験で得られた知見はあるが、ふえた有機物が分解しないで沈んでくれるかどうか、鉄はどうなるか(施肥の効果は持続するか)、生態系や海洋環境にどんな影響があるかが、不確かであり、技術として完成していない。
(3)にはケイ酸塩岩石風化の加速と海洋アルカリ追加があり、原理はわかっているが、まだ実験で実証されておらず、技術として完成していない。また、いずれも鉱物を採掘する必要があり、採掘地の環境保全や住民の合意も必要である。それが実行可能な規模の制約となる。
太陽放射改変の技術として、NRC2015 [4]が実質的に論評しているのは、成層圏エーロゾル注入と、海上雲反射強化(Marine Cloud Brightening)の2つである。このほかの技術は、
というような理由で簡単にしりぞけている。(この巻雲改変は、厳しい意味ではSRMではなく、地球放射の収支に介入しようとするものである。氷晶核となる物質をまいて雲粒を雪・雨として速く落としてしまうことにより、温室効果をもつ対流圏上層の雲を減らそうというものである。)
緩和策やCDRとは違って、SRMは大気中の二酸化炭素の増加をおさえるわけではない。従って、海洋酸性化の進行は止められない。また、SRMの実行を止めると、SRMの効果は持続せず、その時点で温室効果気体濃度は高くなっているので、SRMを実行しなかった場合よりも急激に温暖化が進行する。さらに、SRMは、温室効果強化によるエネルギー収支の収入超過を世界平均・年平均としては打ち消すことができるけれども、緯度別・季節別・昼夜別の各部分で打ち消せるわけではない。
たとえば、CO2増加による温室効果強化を、緯度・季節に関係なく太陽放射を一定比率で減らすことによって打ち消して、世界平均気温を温暖化の前と同じにできたとすると、熱帯および中高緯度の夏には冷やしすぎになり、中高緯度の冬には冷やし足りないことになる。 降水量は、温暖化の前の状態に比べて、熱帯で減り、世界平均も熱帯の寄与が大きいので減ることになるだろう。
太陽放射の反射をふやす技術のうちで最も技術的困難が少ないのは、大気中のエーロゾルをふやすことである。ただし、地表に近い大気中のエーロゾルは健康に有害な大気汚染物質でもあり、また大気中の滞在時間が短い。高さ約20km以上の成層圏に入れるのが効果的と考えられている。自然の火山噴火でも、二酸化硫黄を含む火山ガスが成層圏に届くと、硫酸液滴エーロゾルが広がり、1991年のピナツボ火山の例では世界平均地上気温を約0.4℃低下させたと見積もられている。
人工的に注入する構想で最も有望な物質も硫酸液滴である(硫黄単体または二酸化硫黄を注入して大気中で酸化させる構想も含む)。成層圏のエーロゾルの大気中滞在時間は1〜2年なので、SRMの効果を持続させるためにはこのくらいの時間間隔で注入を継続する必要がある。注入の手段としては飛行機など複数の形が考えられている。
4.3.1項であげたほかに次のような副作用がある。
雲のうちでも地表に近い下層雲は、温室効果が小さく、太陽放射反射の効果が大きい。雲となる水の質量が同じでも、雲粒が小さいほど、光を散乱する効果が大きく、また雲粒の大気中の滞在時間が長くなるので、反射の効果が大きくなる。水の凝結核となるエーロゾル粒子の個数をふやすことによって雲粒の個数をふやすことができる。凝結核は海塩結晶でもよいので、海水を適切な形で大気中にスプレーしてやれば安い費用でつくることができると考えられている。
しかし、雲とエーロゾルの相互作用は、地球温暖化自体の定量的見積もりのうちでもっとも不確かさの大きい部分であり、そこに介入することの効果や副作用の評価も、当然、不確かさが大きい。
また、この方法が有効なのは下層雲が出やすい海域に限られる。そこだけが強く冷やされ、他の領域との熱的コントラストが変わると、大気の循環パターンが変化し、地域によって降水がふえたり減ったりする可能性があるが、どこでどのような変化が生じるか予想することはむずかしい。
気候工学には、技術的困難に加えて、倫理やガバナンスに関するむずかしさがある。ここではその問題の入り口にふれることしかできない。
緩和策と適応策は、国際協調やインセンティブ策も必要ではあるが、各経済主体の自主的判断にまかせられるところが大きい。ところが気候工学は、実施者の意図的行為が世界に影響を及ぼし、すべての利害関係者の了解を得ることは困難だ。
特にSRMは、国境を越えて影響が出る。実施の前提として、損害賠償要求などの争いが起きた場合の解決策まで考えた国際的ガバナンス体制が必要である。また、技術開発の過程で野外実験が必要となるだろうが、効果を検出可能だが害はないような実験計画をたてることがむずかしいうえに、無害な実験であっても利害関心を実施推進に偏らせてしまうのではないかという懸念もある。
CDRは、大気に注目すれば、緩和策と同様に改変を減らす穏やかな策である。しかし吸収された炭素の行き先を地中か海中のどこかに確保することが必要であり、そこでの環境変化が避けられない。行き先が海洋となる場合は、SRMと同様に、国際的なガバナンス体制が必要である。 地下、しかも領土または領海の下の場合は、一国の政策的意思決定ですむかもしれない。それにしても、今後数百年にわたるローカルな地下環境変化のリスクと世界規模の気候変化のリスクとの間の比較考量が必要となる。
しかし、IPCC AR5にまとめられた知見によると、温暖化が2℃(気候変動枠組み条約締約国会議が2010年に設定した目標)以内におさまる可能性を高くしようとすれば、21世紀末までに正味CO2排出量をゼロまたは負にする必要がありそうだ[11]。その実現にはCDRの技術が必要となるであろう[12]。だが、期待にこたえられる技術が必ずできるとは限らない。それに備えて、明らかにリスクのあるSRMの技術も用意しておくべきか? 人類社会はむずかしい判断をせまられている。