中澤 高清、青木 周司、森本 真司 (2015) 地球環境システム — 温室効果気体と地球温暖化

  • 中澤 高清、青木 周司、森本 真司, 2015: 地球環境システム — 温室効果気体と地球温暖化 (現代地球科学入門シリーズ 5)。共立出版, 277 pp. ISBN 978-4-320-04713-6.

「現代地球科学入門」は、地球物理・地球化学・地質学・鉱物学などのディシプリンを横断した、大学学部上級や修士課程向けの教科書的な本のシリーズで、対象も太陽系から大気・水圏も含めて地球内部までをカバーしている。ただし、全部を網羅するのではなく、執筆者の得意とする話題を詳しく述べてもらう方針のようだ。企画した人たちが東北大学理学部関係者であり、執筆者も東北大学の人が多くなっている。

本書は、「地球環境システム」の全体を論じたものではなく、大気中の温室効果気体(CO2、メタン、N2O)がどれだけありどのように循環しているかに話題をしぼった本だ。大気中の温室効果気体の濃度の測定、全地球規模の循環の推定、大陸氷床コアサンプルによる過去の大気中の温室効果気体濃度の復元推定などについて、著者たちを含む東北大学出身者(東北大学、国立極地研究所、国立環境研究所、気象研究所などに所属)は、世界でも主要な研究グループのひとつなのだ。大気成分の話題は、大気化学として化学のディシプリンで扱われることが多いのだが、本書の著者たちは、地球物理のうちの気象学の(故)山本義一教授が始めたスクールで育った。山本スクールの得意分野としては、大気境界層乱流と大気放射のほうが知られているが、境界層については近藤(2000)、放射については浅野(2010)の教科書がある。これまで乏しかった温室効果気体に関する教科書的な本が出たのはありがたいことだ。しかし、大気科学全体から見るとかなり限定された分野だ。大気科学全体を展望して本書の内容を位置づけることは、未刊の「地球大気の科学」でおこなわれるのだろうか。(その巻の著者として近刊予告にあげられている岩崎俊樹氏は、東北大学教授だが、物理を勉強して気象庁に就職してから気象学とくに大規模力学と数値モデルを専門とした人で、山本スクールの人ではない。)

本書でいちばん特徴のあるところは、温室効果気体の濃度をよい精度で測定するために使われている方法の紹介だと思う。大気中のCO2、メタン、N2O濃度の測定の方法が3.2節、その同位体比(酸素18、重水素、炭素13、炭素14)測定の方法が3.3節、酸素(O2)濃度の(CO2変化に伴う変化が検出できる精度での)測定の方法が4.3.3節、氷床コア中の気体成分の測定の方法が6.1.3節にある。(気象学会員であるわたしは、測定結果については読んだり聞いたりするけれども、測定方法の話は、学会大会で発表されていてもその裏で進行する別の発表を聞く必要があったりして、聞く機会があまりなかった。) 測定そのものよりもむしろ、サンプルの準備や、較正に使われる標準物質の調整が重要なことがわかる。

3.1節「温室効果気体の観測方法」も重要なことを言っているのだが、この節の表題は不適切で、内容は本文に出てくるように「温室効果気体の循環を解明するための手法」の説明だ。手法は大きく、トップダウン法(top-down approach)とボトムアップ法に分けられている。このtopとbottomは抽象的なものではなく、大気という箱に含まれた特定の物質の質量収支をおさえるのを、上にある大気中の濃度および空気の動き(風)の観測値から出発するか、底にある地表面での大気と海や陸とのやり取りの定量から出発するかをさしている。いずれにしてもあらゆる地点で精密な観測があるわけではないので、なんらかのモデルによって広域を代表する値を求めることになるが、使われるモデルは違った種類のものになる。著者たち自身がおもに取り組んでいるのはトップダウン法である。

本の最初にもどって見ていく。

第1章は序論。
1.1節では、地球大気の成分を概観する。そして、温室効果気体として議論されているものを列挙し、あとの本文での議論から除外したハロカーボン類と6フッ化硫黄について簡単に説明している。また本書に述べたような知識を得るのに貢献している国際共同研究プロジェクトにふれている。

1.2節・1.3節は科学史をふりかえる。1.2節では、CO2、メタン、N2Oのそれぞれが物質として認識された過程(CO2はBlackの1754年が”fixed air”として記述したことから)。1.3節では、温室効果と地球温暖化に関する研究の歴史。ここでは、世界の動きを述べたあとで、とくに日本についてふれている。山本義一教授が1957年にすでにCO2濃度増加が温暖化をもたらすと論じるだけでなく計算を始めていた(論文に至らなかったようだが)ことは、わたしはここで初めて知った。この件は別ブログ記事[2015-08-08 地球温暖化の認識の発達にかかわる山本義一の業績]に書いた。

第2章は、温室効果と地球温暖化に関する基礎知識。太陽放射・地球放射、地球の放射エネルギー収支、大気の温室効果などの基礎概念。そして、IPCCなどの場で使われる「放射強制力」「地球温暖化指数」などの概念も説明している。

(細かいことだが、2.1節でオゾンによる放射吸収帯のChappuis bandを「シャピウス帯」と書いてしまっている。これは、hakkirikuroさんのブログ記事http://readtheatmosphere.hatenablog.com/entries/2014/10/30 で知ったのだが、岩井 邦中 (1993) 天気 40: 694、小川 利紘 (1993) 天気 40: 695によれば、「シャピュイ帯」とするべきだそうだ。)

第3章「温室効果気体の測定」の内容は、すでに述べたように、気体成分の収支を定量的につかむためのアプローチの話と、大気中の成分の濃度や同位体比を測定する具体的な方法の紹介。

第4章はCO2について、第5章はメタンとN2Oについての、大気中の変動と循環の実態。第6章は、氷床コアサンプルの分析と、それによって知られた過去(数百年・数千年・数万年)の大気中のCO2、メタン、N2O濃度の変遷。

成分ごとに状況は違うが、複数のアプローチによる循環の認識のつじつまがようやく合ってきた、というようなところで、収支式の各項の数値を示すことが、重要な到達点なのだと思う。変化をもたらしうる原因は列挙されており、研究が進んでいる項目については変化を因果的に説明する議論がある。残念ながら因果的説明に至っていない項目も多い。学習者としては何をおさえたらよいのか必ずしもよくわからないのだが、発展途上の学問分野の教科書はこんな形をとるしかないのかもしれない。

具体的事実のうち何を拾うかは気まぐれになるが、いくつかの論点を抜き書きする。(あとで追加するかもしれない。)

  • 大気中のCO2濃度の数十年間の増加は、おもに化石燃料起源である。これは同位体比からも裏づけられる(4.2.3節)。しかし、濃度の年々変動は、ENSOに関連するものも、火山噴火の影響と考えられるものも、陸上生物圏のCO2吸収能力の変化がおもな原因と考えられている(4.2.2節)。
  • 炭素の安定同位体(炭素13)を解析することによって、大気中CO2濃度の経年変化について、海洋と陸上生物圏の吸収を分離して評価することができる(4.3.4節)。
  • 大気中メタン濃度の増加は、1983~2005年に減速したが、2006年ごろ以後にはまた加速した(5.1.3節)。

細かいことだが、用語についてわたしが新しく知ったこと。per cent、per milは濃度についても使うが、同位体比についてのper milは濃度そのものではなく、それの標準値との差を標準値で割って千倍したものである。ここまではすでに知っていたのだが、標準値との差を標準値で割って(千倍では数値が小さすぎるので)百万倍したものは、per megという表現をするのだそうだ(4.3.3節)。ppmは濃度専用の表現なのだ。

文献

  • 浅野 正二, 2010: 大気放射学の基礎。朝倉書店。[読書ノート]
  • 近藤 純正, 2000: 地表面に近い大気の科学。東京大学出版会。[読書ノート]

折り返しのあとに詳しい目次をつける。

序文
目次
第1章 序論
– 1.1 地球の大気
– 1.2 温室効果気体の発見
– 1.3 温室効果と地球温暖化に関する研究の歴史
第2章 気候の維持・変動における温室効果気体の役割
– 2.1 太陽放射と地球放射
– 2.2 地球の放射エネルギー収支
– 2.3 大気の温室効果
– 2.4 温室効果気体の増加による温暖化
– – 2.4.1 放射強制力
– – 2.4.2 地球温暖化指数
– – 2.4.3 温暖化の進行
第3章 温室効果気体の測定
– 3.1 温室効果気体の観測方法
– 3.2 温室効果気体の濃度測定
– – 3.2.1 非分散型赤外分析計
– – 3.2.2 キャビティーリングダウン分光分析計
– – 3.2.3 ガスクロマトグラフ
– – 3.2.4 標準ガス
– 3.3 温室効果気体の同位体比測定
– – 3.3.1 安定同位体比分析と標準試料
– – 3.3.2 放射性炭素同位体比分析と標準試料
第4章 二酸化炭素の変動と循環
– 4.1 地球表層における炭素循環
– – 4.1.1 産業革命以前の炭素循環
– – 4.1.2 最近の炭素循環
– 4.2 大気のCO2濃度の変動
– – 4.2.1 濃度の季節変動
– – 4.2.2 濃度の年々変動
– – 4.2.3 濃度の経年増加
– 4.3 人為起源の二酸化炭素の収支
– – 4.3.1 人為起源CO2の放出
– – – A. 化石燃料燃焼とセメント製造
– – – B. 土地利用改変
– – 4.3.2 大気-海洋間のCO2分圧差の解析
– – – A. 海洋によるCO2の吸収
– – – B. CO2吸収量の推定
– – 4.3.3 大気中のO2濃度とCO2濃度の同時解析
– – – A. 大気中のO2濃度の変動
– – – B. CO2収支の推定
– – 4.3.4 CO2の安定炭素同位体比 δ13Cの解析
– – – A. CO2と13CO2の全球収支
– – – B. CO2収支の推定
– – 4.3.5 全球3次元大気輸送モデルによる解析
– – – A. 順解析によるCO2フラックス推定
– – – B. 逆解析によるCO2フラックス推定
– – 4.3.6 IPCC第5次評価報告書による全球CO2収支
第5章 メタンおよび一酸化二窒素の変動と循環
– 5.1 CH4の変動と循環
– – 5.1.1 CH4の発生と消滅
– – 5.1.2 大気中のCH4濃度の変動
– – – A. 濃度の全球分布と季節変動
– – – B. 濃度の経年増加
– – 5.1.3 地球表層におけるCH4の収支
– – – A. 大気観測から推定したCH4の放出量と消滅量
– – – B. CH4の放出量と消滅量の内訳
– – – C. CH4収支の年々変動
– – – – (1) 1991年の急増と1992年の停滞
– – – – (2) 1998年の急増
– – – – (3) 1983・2005年の増加の減速および1999・2005年の停滞
– – – – (4) 2006年ころ以降の再増加
– 5.2 N2Oの変動と循環
– – 5.2.1 N2Oの発生と消滅
– – 5.2.2 大気中のN2O濃度の変動
– – – A. 濃度の季節変動と年々変動
– – – B. 濃度の経年増加
– – 5.2.3 地球表層におけるN2Oの収支
– – – A. トップダウン法による収支推定
– – – B. ボトムアップ法による収支推定
第6章 氷床コアから復元された二酸化炭素、メタン、一酸化二窒素の変動
– 6.1 氷床コア分析
– – 6.1.1 氷床コア
– – 6.1.2 氷床コア分析の特徴
– – – A. 氷床コア分析による気温の推定
– – – B. 氷床コアと含有空気の年代決定
– – – C. 氷床コアに含まれる空気の変質
– – 6.1.3 氷床コアの分析方法
– 6.2 人間活動による温室効果気体の増加
– – 6.2.1 氷床コアから復元された濃度変動
– – 6.2.2 CO2濃度の増加原因
– – 6.2.3 CH4濃度の増加原因
– – 6.2.4 N2O濃度の増加原因
– 6.3 自然的要因による温室効果気体の変動
– – 6.3.1 完新世におけるCO2、CH4およびN2Oの変動
– – 6.3.2 氷期-間氷期におけるCO2、CH4およびN2Oの変動
– – – A. 濃度と気温の関係
– – – B. 濃度の変動とその原因
– – – – (1) CO2の濃度低下
– – – – (2) CH4とN2Oの濃度低下
参考文献
索引
欧文索引

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