David Archer (2010) The Global Carbon Cycle

  • David ARCHER, 2010: The Global Carbon Cycle (Princeton Primers in Climate) Princeton Univ. Press, 205 pp. ISBN 978-0-691-14414-6.

プリンストン大学出版の気候入門教科書シリーズの最初に出た巻なのだが、読書メモをまだ書いていなかった。温暖化に関する原稿を書いていて炭素循環にふれた機会に読みかえした。

同じ著者のThe Long Thawという本[読書ノート]が2009年に同じ出版社から出ている。前の本は人間が出した二酸化炭素の長期的影響という主題の読みもの、今度の本は炭素循環の教科書という位置づけの違いはあるのだと思うが、内容は半分くらい重なっている。

本文は6章からなる。途中にいくつも囲み(box)がはいる。Box 4.4のように、わき筋であると明示されているものもあるが、大部分のboxは、基礎概念をまとめて述べてあるので、本文よりも重要かもしれない。

第1章では、著者が炭素循環のどんな特徴を重視しているかが述べられる。炭素循環には生物の活動がからんでいる。そのせいもあって、炭素循環は地球環境のもついくつものフィードバックにかかわっている。そのうちには、環境を安定化させるものもあれば、変化を強化するものもある。海洋のpHは炭酸カルシウムによって安定化されている。大気中のO2は生物の光合成の産物であり、 有機化合物(炭素化合物のうちCO2よりも還元的なもの)と裏表の関係にある。

第2章は地質時代の炭素循環。今の温暖化問題とは直接には関係しない。地球の気候には温度を安定化させる負のフィードバック(サーモスタット)がある。それはCaOを含む鉱物(CaSiO3など)の風化だ。温度が高いほど水循環が活発で風化が速い。

次に5千5百万年前の「PETM」事件の話になる。炭素同位体比から見て、13Cの少ない有機物からの炭素供給があった。酸素同位体比から見て、海洋中層で5℃くらいの温暖化が起きた。供給された炭素が何かはわかっていないが、著者によれば、メタンハイドレートだけでは温暖化の規模が説明困難で、堆積物か土壌の有機物の分解だろうとする。放出されたのがメタンだとしても、メタンの大気中での寿命は10年程度なので、温暖化に働く主役はCO2なのだ。ともかく確かなことは、乱れがおさまるのに数十万年かかったことで、風化によるフィードバックはこの時間スケールで働くのだと考えられる。

さらに古い時代のSnowball Earthについても、始まりの説明はまだできていないが、終わりの説明は風化のフィードバックでできる。

3千万年前にC4光合成植物が進化した。低いCO2濃度への適応と考えられる。(しかし、氷期にC4植物がとくに優勢になったという証拠はない。)

大気中のO2濃度は炭素循環でコントロールされているようだ。光合成によって作られた有機物が、おもに海底で堆積して隔離されることによって、酸素は大気中にとどまる。地球史上は、O2はまずFeとSを酸化し、それから大気中にたまりはじめた。著者は、大気のO2が少ないと、働くバクテリアが少なくなり、有機物が分解されにくくなることを、一種の調節機能を考え、oxygen homeostatと呼んでいる。これと風化によるCO2 thermostatとはからみあいがある。

第3章は氷期サイクルに伴う炭素循環の話。わたしにとっては知っていることが多いが、初めて読む人にとってはこみいった話だと思う。ともかく、氷期のほうが大気中のCO2濃度が低かったので、CO2は気候の変化を強める正のフィードバックとして働いていた。そのしくみは海洋の炭素循環にあるにちがいないが、まだ明確になっていない。

第4章は人間活動によるCO2排出とその影響。人間活動による固体地球から大気への炭素の流れ(化石燃料からの排出 8.5 Gt C/年)は、自然(火山・温泉)の流れの100倍のrateである。大気中の増加は2 ppm/年、4 Gt C/年。これは排出の半分。残りは海と陸に行っている。海に約 2 GtC/年、陸に(間接的見積もりだが) 2 Gt C/年 (おもに北半球高緯度)、森林破壊をひくと0.5 Gt C/年。

将来見通しはむずかしい。 陸でどういうフィードバックが働くかよくわからないが、温度が上がるとともに有機物分解が速まる(+10℃で2倍)というしくみはある。海洋は今のところCO2の乱れを緩和しているが、氷期スケールで起きたように増幅に転じる可能性もないとはいえない。

排出が止まったとしてその後の炭素のゆくえを考えると、まず海洋が溶解平衡に向かうのが数千年(a few millenia)で、化石燃料起源のCO2のうち大気に残るのは15% (排出がふえても30%)くらいだろう。さらに、海底と陸源のCaCO3による中和が1万年くらいの時間スケールで起こり、大気に残るのは10%ぐらいだろう。残りは、CaOを含む岩石の風化でCaCO3にとりこまれるが、その時間スケールは数十万年だ。

次の氷期の始まりは、(CO2の乱れがなかった場合に予想される)5万年後ではなく50万年後になるかもしれない(これはArcher & Ganapolski 2005の論文の議論だそうで、ここでは結論だけ紹介されているが理屈はわからない)。

それからCO2濃度の政策目標の話になる。 +2℃は、気候が急変するわけではないが、気候の影響が強まるレベルと認識されている。温暖化をここまでにとどめるための目標として、450 ppmあるいは累積排出量 700 GtCが提案されている。それでは不充分で350 ppmまでもどすべきだと主張する人もいる。(それはhonest safetyの立場だと述べているが、詳しい説明はない)。

ここまでほとんどCO2の話だったが、第5章はメタンについて。分子あたりの温室効果がCO2の40倍だが、大気中の寿命が約10年なので、長期的な温暖化にとってメタンは決定的に重要ではない。凍土からのメタン放出は短期的に温暖化を強化するので要注意だ。海底のメタンハイドレートの分解が起こるとすれば数千年かかって気候に影響するだろう。

第6章はまとめ。すでに述べた論点のうち著者からみて重要なことの列挙。

折り返しのさきに詳しい目次をつける。

Contents
List of boxes
1. Carbon on Earth
– A touch of magic
– – Carbon dioxide
– – Box 1.1. Units of the carbon cycle
– – Oxygen
– – Box 1.2. Reservoirs of carbon
– – Box 1.3. Oxidation and reduction of carbon
– – Ocean pH
– The moods of the carbon cycle
– – The stable geologic carbon cycle
– – Box 1.4. Photosynthesis and respiration
– – The unstable ice age carbon cycle
– – Box 1.5. Biochemistry 101
– The carbon cycle today and in the future
– – Box 1.6. Origins and inventories of fossil fuels
2. The stable geologic carbon cycle
– The atmospheric CO2 thermostat
– – The slowest climate changes
– – Box 2.1. Isotopes
– – Box 2.2. The world according to oxygen isotopes
– – Burps: PETM
– – Box 2.3. The world according to carbon isotopes
– – Box 2.4. The climate sensitivity parameter
– – Snowball Earth
– – Life span of the biosphere
– Organic carbon and oxygen
– Coming home to the question of global warming
3. The unstable ice age carbon cycle
– Backstory
– The glacial carbon cycle
– The ocean did it, but how?
– – Changes in ocean temperature
– – Box 3.1. Carbonate system pH chemistry
– – – Total CO2 and alkalinity of seawater
– – Changes in ocean biology
– – Box 3.2. Biological pump in the ocean
– – Ocean rearrangement
– – Box 3.3. The CaCO3 cycle
– – – CaCO3 pH-stat
– – Changes in ocean pH
– Bringing it home to global warming
4. The present and future carbon cycle — stable or unstable?
– The carbon cycle today
– – The setting
– – The perturbation
– – Box 4.1. Human carbon emissions
– – Ocean uptake
– – Box 4.2. Air-sea exchange of CO2 gas
– – Land uptake
– – The future of the carbon cycle
– – Box 4.3. Airborne fraction of a CO2 slug over geologic time
– – – Equilibrium with the ocean
– – – Neutralization by the CaCO3 pH-stat
– – – The weathering CO2 thermostat
– – Future carbon cycle feedbacks
– – The fate of fossil fuel CO2 in the carbon cycle
– – Box 4.4. The carbon cycle orrery
– – Box 4.5. How much carbon is too much?
5. Methane
– Methane and climate
– Control of atmospheric methane concentration
– – Box 5.1. Greenhouse properties of CO2 and methane
– Changes in methane production
– – Box 5.2. The kinetics of a transient gas in the atmosphere
– – Box 5.3. Methanogenesis chemistry
– – Anaerobic digestion of cellulose
– – Methane in the ocean
– – Fossil fuel industry
– Methane degradation
– – Box 5.4. Methane radical oxidation chemistry
– Present and future of atmospheric methane
6. Summary
Glossary
Bibliography
Index

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