二酸化炭素濃度の上昇が地球に与える影響 Global impact of rising carbon dioxide levels

  • 2017/07/27
  • サイエンスニュース
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By now, nearly everyone is aware of the ongoing debate regarding whether climate change, which naturally goes through cycles of higher and lower average global temperature, is being accelerated by human activity, referred to as “global warming“. What is perhaps less commonly understood is why carbon dioxide is the primary culprit blamed for global warming and why it is a greenhouse gas to begin with.

 

Greenhouse gases increase the temperature of the Earth by absorbing and storing infrared radiation emitted by the Earth’s surface in vibrational motion. As it turns out, not all chemical species are able to absorb infrared light. Whether a molecule can absorb radiation of a certain type is dictated by what are known as selection rules, which for infrared absorption state that the electric dipole moment of the molecule must change during the vibrational motion and the vibrational quantum number can only change by one unit per absorption event. As a consequence, monatomic gases (which cannot vibrate) and homonuclear diatomic gases—gases consisting of two atoms of the same type—are unable to absorb infrared light, and are called infrared inactive.

 

The Earth’s atmosphere consists primarily of around 78% nitrogen, 21% oxygen, and 0.93% argon by volume. The remainder is made up of trace gases, such as 0.04% carbon dioxide, 0.0002% methane, and very small amounts of hydrogen, helium, neon, and others. These numbers are for dry air; in addition to the gases listed above, there is also a variable amount of water vapor contained in air, averaging around 1% of the total composition.

 

Based on the discussion above, most of the chemical species in the atmosphere are infrared inactive, meaning that the primary greenhouse gases are water vapor, carbon dioxide, and methane. In fact, carbon dioxide has four vibrational modes, or four different ways of vibrating, and only two of these—the C-O asymmetric stretching mode and the O-C-O bending mode—are infrared active. In terms of global warming, the bending mode is the more important of the two because the Earth emits less infrared radiation at the wavelength required to induce asymmetric stretching.

 

Although on average the atmosphere contains far more water vapor than carbon dioxide, the amount of water in the atmosphere is regulated by temperature itself, meaning the higher the temperature of the Earth, the more water in the atmosphere, and the more warming. In contrast, the amounts of carbon dioxide and methane in the atmosphere are determined by sources and sinks for these gases. More carbon dioxide and methane in the atmosphere increase the temperature of the Earth, which drives more water into the atmosphere, increasing the temperature even more. Finally, methane is roughly 30 times more efficient at absorbing infrared radiation than carbon dioxide, but there is about 100 times less of it in the atmosphere, and methane breaks down in the atmosphere after about 8 years. In contrast, carbon dioxide can remain in the atmosphere for hundreds or even up to thousands of years.

地球の平均気温は本来周期的に上下しますが、「地球温暖化」と呼ばれる人間の活動による気候変動の加速が起きているかどうかについて議論が続いていることを、今ではほとんどの人が認識しています。しかし、二酸化炭素がなぜ地球温暖化の主な原因とされているのか、また、そもそも二酸化炭素がなぜ温室効果ガスであるかを理解している人はそれほど多くないでしょう。

 

温室効果ガスは、地球の表面から放射される赤外線を振動運動に吸収して貯蔵することで地球の気温を上昇させます。すべての化学種が赤外光を吸収できるわけではないことがわかっており、分子が特定の種類の放射を吸収できるかどうかは、いわゆる選択律によって決定されます。赤外吸収の場合は、分子の電気双極子モーメントが振動運動に伴って変化する必要があり、振動の量子数は1回の吸収につき1しか変化できません。したがって、振動のない単原子分子や同種の原子2個からなる等核二原子分子は、赤外光を吸収できず赤外不活性と呼ばれます。

 

地球の大気を主に構成しているのは、窒素(体積の約78%)、酸素(21%)、アルゴン(0.93%)で、残りは二酸化炭素(0.04%)、メタン(0.0002%)、非常に少量の水素、ヘリウム、ネオンなどの微量気体が占めています。これらの数値は乾燥空気の場合で、大気は上記の気体に加えて水蒸気を含んでいます。大気中の水蒸気の量は変化しますが、平均すると全組成の約1%です。

 

上述の議論に基づいて、大気中の化学種の大半は赤外不活性であるため、水蒸気、二酸化炭素、メタンが主な温室効果ガスになります。実際には、二酸化炭素分子には4つの振動モード、つまり4つの異なる振動の仕方があり、そのうちの2モード(C-O非対称伸縮モードおよびO-C-O変角モード)だけが赤外活性です。この非対称伸縮モードを誘起するために必要な波長の赤外線は、地球からの放射が弱いため、地球温暖化に関しては変角モードがより重要になります。

 

平均すると大気中には二酸化炭素よりも遥かに多くの水蒸気が含まれていますが、大気中の水分量が気温自体に制御されており、地球の気温が上昇すると大気中の水分量が増加して気温がさらに上昇します。これとは対照的に、大気中の二酸化炭素とメタンの量はこれらの気体の発生源と吸収源で決定されます。大気中の二酸化炭素とメタンの量が増加すると地球の気温が上昇し、その結果、大気中の水分量が増加して気温がさらに上昇します。最後に、メタンが赤外放射を吸収する効率は二酸化炭素の約30倍ですが、大気中のメタンの量は二酸化炭素の約100分の1で、メタンは大気中で約8年経過すると分解します。一方、二酸化炭素は数百年から数千年間大気中にとどまることができます。

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