本当に関係あるの？地球温暖化と二酸化炭素の関係について

最近，とても寒い日って減ったよね？もしかして地球温暖化の影響？

最近，季節に関わらず「子供の頃より暖かくなったな」って感じること多くないですか？ここ最近，特に夏になると世界中で熱波や洪水など異常気象が報告されていて，日本でも最高気温が右肩上がりで毎年更新．一般にそれを「地球温暖化」と呼んでいて，その原因はCO2，つまり二酸化炭素が原因と言われている．

今日は，そもそも二酸化炭素と地球温暖化は本当にが関係あるかな？って疑問に思ったので少し調べてみた．

今日の記事は次の疑問を持つ人に読んでもらえたら嬉しい．

・地球温暖化のメカニズムを知りたい
・地球温暖化と二酸化炭素の本当の関係を知りたい

会話のちょっとしたネタにどうぞ．

上昇し続ける二酸化炭素濃度と平均気温
地球温暖化のメカニズム
二酸化炭素に赤外線が吸収されることが地球温暖化の原因か
地球温暖化の政治的，商業的利用
地球温暖化をもっとよく知るためのオススメの書籍
まとめ｜地球温暖化と二酸化炭素の関係

上昇し続ける二酸化炭素濃度と平均気温

というわけで，地球の気温と二酸化炭素濃度は本当に増加しているのか？という現実を知るため，地球の平均気温と二酸化炭素濃度についてnasaのHPで確認してみた．

結果はどちらも増加している．

平均気温 [℃]

*ppm=parts per million, 1ppm = 0.0001%

二酸化炭素濃度 [ppm]

出典: nasa web page

この二つのデータは横軸のスケールが異なっているから，気温と二酸化炭素の関係を西暦で整理してみた．

気温と二酸化炭素濃度の関係

こうやって整理すると気温と二酸化炭素の関係がよく見えてくる．気温と二酸化炭素の関係について懐疑的な意見もあるけど，このグラフから相関関係がわかる．ただ，ここで示しているのはあくまでも相関であって因果関係ではない．なので，因果関係を調べるために，二酸化炭素が地球温暖化の原因になりうるメカニズムについても調べてみた．

地球温暖化のメカニズム

二酸化炭素は地球温暖化の要因なのか？という疑問についてちょっと調べてみた．

「二酸化炭素が地球温暖化の原因だ！」という人は多いけど「なんで？」と聞かれて「えっと．．」と答えにつまるのはカッコわるいからメカニズムまでちゃんと知っておきたい．

「お父さん何でも知ってるんだね！かっこいい！」と家族から一目置かれる存在になれる．

地球温暖化は地球のエネルギー収支バランスの変化によるもの

空気に適当な温度があって僕たちは生活できている．そしてその温度，つまり熱は太陽からきている．

もし太陽がなかったら？

地球には太陽以外の強力な熱源がないから，地球はマイナス200°C近い気温になる，寒いってレベルじゃない．それ以外の熱源は地球の地熱だから絶対零度に近づいて原子レベルで停止する．

ちょうどわかりやすい図があったので引用させてもらった．

出典: JCCCA

この図は左半分が200年前の地球，右半分が現在の地球を表している．どちらも同じように太陽からの光，つまり熱エネルギーが地球に入ってきて，それを地球は宇宙空間へ反射している．

この図で伝えたいことは「200年前よりも現在の方が太陽からの熱エネルギーを反射し辛くなっている」ということ．つまり，地球に入ってくる太陽からの熱エネルギーと地球から宇宙空間へ出て行く熱エネルギーのバランスが，現在の方が宇宙空間へ出て行く熱エネルギーの量が見かけ減ってしまっている．

つまり，本来であれば宇宙空間へ出て行くはずの熱エネルギーが気温を上昇させている．

気温の正体は赤外線

では，なぜその熱エネルギーは宇宙空間へ戻りづらいのか？

その原因を探る前に，気温の正体を紹介．

気温は太陽光に含まれる赤外線で維持されている．その赤外線は地上で反射されたあと，空気中の二酸化炭素に吸収されたり放出されたりを繰り返しながら宇宙空間へ戻っていく．ここで空気中の二酸化炭素量が増えてしまうと赤外線がそれに吸収・放出される頻度が増え，宇宙空間へなかなか戻れない．

つまり，地球の内部に滞在している赤外線量が増えることで気温が上昇する．

空気中で二酸化炭素だけが赤外線を吸収する

二酸化炭素が増えると，気温の正体である赤外線が増え気温が上昇することは理解してもらえたと思う．

でも空気は二酸化炭素の他にも窒素や酸素などが含まれてる．なぜ，二酸化炭素だけが赤外線を吸収・放出を繰り返すのか？

その疑問を解決するため，まず空気の成分をチェックすると，空気には窒素が一番多く二酸化炭素は4番目に多い．

成分	化学式	体積比[%]
窒素	N2	78.084
酸素	O2	20.948
アルゴン	Ar	0.934
二酸化炭素	CO2	0.032

出典: kikakurui.com

化学式を見ると二酸化炭素だけ多原子分子（炭素と酸素で構成されている)で，それ以外は単原子分子．二酸化炭素が赤外線を吸収するのはその構造が多原子分子なところにありそう．

二酸化炭素に赤外線が吸収されるメカニズム

通常，二酸化炭素をふくむ全ての気体分子は下図で示すような並進，回転，振動の3つの運動を同時にしている．

一方，赤外線を含む電磁波は下図で示すような形で存在している．

分子それぞれの運動は振動数に応じた動きをしていて，電磁波もさまざまな振動数を含んでいる．その分子の振動数と電磁波の振動数が等しくなったとき共鳴吸収が起こって，分子のエネルギーは高くなって運動がより激しくなる．その後しばらくすると，分子はその高くなった分のエネルギーを再び電磁波の形で放出する．

ここで重要なのは，分子の振動運動が赤外線をよく吸収するということ．

二酸化炭素の場合，振動モードは4種類あってそのうち下図のような「逆対称伸縮振動」と呼ばれるモードのとき二酸化炭素は赤外線を吸収する．

このとき酸素分子が左右を行き来し電気双極性モーメントが変化する．そこへこの振動運動と同じ振動数を持つ電磁波が近づくと，共鳴吸収が起こり分子振動が激しくなる．その後しばらくすると吸収された電磁波は放出され分子振動はもとの大きさに戻る．

赤外線はこれを繰り返しながら地上から宇宙へと戻っていく．

二酸化炭素と赤外線は波長がよく合う．

二酸化炭素に赤外線が吸収されることが地球温暖化の原因か

二酸化炭素が赤外線を吸収するメカニズムから，二酸化炭素の増加は赤外線を宇宙へ戻りづらくさせている要因と考えることができる．つまり，二酸化炭素の増加と地球温暖化は因果関係がありそうに見える．

しかし，そもそも太陽からの赤外線の量やその他の温室効果ガスの影響を無視して「二酸化炭素，お前が悪い！」と決めつけてしまうのはちょっと違う．

二酸化炭素の増加は地球温暖化の一つの要因かもしれないけどそのほかの影響についてもより深い調査が必要．理由は，実際に二酸化炭素の増加と地球温暖化の関係の程度を示す明確な発表はあまりないから．

今日の記事で紹介したように，二酸化炭素の赤外線吸収のメカニズムは科学的に証明されている．しかし，それはあくまでもその二つの相関を示すもので地球温暖化との因果関係を証明するものではない．

なぜなら，地球温暖化の予測は以下の理由でとても困難だから．

・測定の不正確さ（測定装置，条件など）
・数値計算の困難さ（非線形，大規模シミュレーションなど）

数値計算は過去の測定結果と力学的，化学的なモデルを用いて行われるんだけど，そのベースとなる測定データの不正確さ（ばらつきの多さ）や非線形モデルを扱う数値計算の難しさから，将来の気候変動を正確に予測するこは難しいとされている．

つまり，二酸化炭素が地球温暖化の原因という検証はまだできていない．

あまり注目されないけど，実は水蒸気は二酸化炭素の倍以上の温室効果を持っている．

水蒸気は温室効果ガスとしてたしかに最大の寄与を持ちますが、二酸化炭素（CO2）も重要な役割を果たしています。現在の大気の温室効果は約5割が水蒸気、2割がCO2によるものです。このため大気中のCO2濃度が増加することによって、温暖化が進行すると考えられます。実際にはこの気温上昇に伴い、自然のしくみによって大気中の水蒸気が増えることにより、さらに温暖化が進むことが予想されます．

出典：地球環境研究センター

例えば，太陽からの熱エネルギーが増えると海面はより暖められ，海面から発生する水蒸気量が増える．それが増えれば地球温暖化は相乗効果で加速する．つまり，二酸化炭素だけに注目せず太陽からの熱エネルギーや水蒸気など他の温室効果ガスの影響を考慮する必要がある．

広い視点で物事をみることが大事，なにごとも．