第 3 章地球温暖化 ー地球大気と光と温暖化ー 名古屋大学太陽地球環境研究所 松見豊 連絡先 : matsumi( アットマーク )stelab.nagoya-u.ac.jp ( アットマーク ) のところに @ をいれる Copyright @ Matsumi Lab. Nagoya Univ.
地球大気
産業革命以降の大気中の各気体の濃度変化 CO 2 CH 4 N 2 O CFCl 3 フロン
大気は地球の洋服 < 地上の温度を調節 > 太陽
地球温暖化 海水熱膨張 陸氷融解 海面上昇
地球温暖化 気候変動 水循環への影響 洪水 旱魃
1.0 温度変化 0.5 0-0.5-1.0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 西暦年 平安時代鎌倉時代室町時代江戸時代現在
長期的な気温変動
温度 ( ) 6 3 0-3 -6-9 -12 地球の気温と二酸化炭素濃度 アフトニア間氷期 ネブラスカ氷期 カンザス氷期 ヤーマス間氷期 イリノイ氷期 サンガモン間氷期 ウィスコンシン氷期 現在 400000 300000 200000 100000 0 330 300 270 240 210 180 150 二酸化炭素濃度 (ppm) 年 ( 年前 )
昔の温度はどうしたらわかる? 古文書にある? 原始人が温度計で測っていた? 昔の物質から測定する方法がある?
南極氷床コアの測定 南極の氷を採取し それに含ま れる空気から過去の大気中に あった二酸化炭素の濃度および 同位対比から過去の温度を測定
氷床コア サンゴから温度を測定 18 O / 16 O の同位対比の計測 18 O / 16 O = 0.00205 水の H 2 18 O と H 2 16 O では同じ温度でも蒸気圧が違う
100 年後は 700ppm? 大気中の CO 2 濃度 280 ppm 180 ppm 370 ppm 40 万年前時間 ( 千年 ) 現在 GCP 2001 IPCC 2001
気候変動に関する政府間パネル IPCC (Inter-governmental Panel on Climate Change ) IPCC 報告書 世界気象機関 国連環境計画
地球温暖化 100 年後はどうなる? 100 年後 横浜の世界最速のスパーコンピュータのシュミレーション計算の結果 現状の経済拡大 100 年後 4.2 上昇 N.H. Temperature ( C) 1 0.5 0-0.5 1000 1500 2000 2100 6 5 4 3 2 1 0 Global Temperature ( C) IPCC Projections 2100 AD
地球表面の温度は 何によって決まっている?
惑星探査衛星ガリレオから見た地球と月 太陽からの光の反射で光っている 太陽エネルギーが注ぎ込まれている
地球の温度を決めるもの 太陽 地球から宇宙への熱放射 バランス 大気の上面でバランス 太陽からの日射 5500 地球 地球からの熱放射 ~15
太陽光のスペクトル ( 波長強度分布 ) 各波長での光の強さ 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 目で見える紫外赤外 0 200 400 600 800 1000 1200 波長 (nm) スクリーン 5500 の熱放射白色ランプもこの位の温度 プリズム 太陽 太陽光
太陽の熱放射 5500 地球の熱放射 ~15 各波長の強度 見える ストーブ 600 赤外 0.1μm 1μm 10μm 波長
地球 大気 人工衛星 赤外探知機 オゾン フロン吸収 15 の熱放射 夜 各波長の強度 メタン CO2 水蒸気 人工衛星でとった各波長強度 5μm 10μm 20μm 波長
光吸収強度 二酸化炭素 (CO2) の光吸収 透明 0 100 200 400 700 1000 2000 3000 波長 (nm) 可視 可視 紫外の吸収電子励起による 赤外の吸収振動励起による 電子 O C O 紫外光吸収 O C O O C 赤外光吸収 O O C O 振動 電子がより高い軌道をまわる O C O
分子の振動と dipole moment 赤外光吸収なし 赤外光吸収あり 赤外光吸収あり 等核二原子分子 赤外光吸収なし N 2, O 2 温室効果気体にはならない
温室効果 大気による赤外光吸収 太陽光 5500 の熱放射 二酸化炭素 CO 2 メタンCH 4 フロンなど 放射を吸収 地球 ~15 の熱放射
エネルギーバランス 温室効果 エネルギーバランス エネルギーバランス 太陽光 ( 可視 ) 黒体放射 ( 赤外 ) 透過 -18-18 -18 吸収 +15 +30 地球地球地球 大気なし現状温室効果気体増大 単位面積あたりの黒体放射強度 σt 4, σ:stefan Boltzmann 定数
光っていない部分からも盛んに赤外光が放出されている
地球全体のアルベド 30% 地上反射 3% 雲反射 22% 雲 大気吸収 20% 地表で吸収 50% 直接 間接の太陽光
ステファン - ボルツマンの式 単位面積あたりの黒体放射強度 σt 4 Stefan Boltzmann 定数 σ = 5.67 10-8 W m -2 K -4 温度 T 温度が高いほど熱放射大きい
太陽と地球の放射のバランス 単位面積あたりの黒体放射強度 σt 4, σ:stefan Boltzmann 定数 太陽定数 : 地球上での太陽光強度 F s = 1370 W m -2 地球上での単位面積あたりの平均太陽光入射エネルギー A: アルベド地球平均 A = 0.30 入力 = 出力 T E = 255 K
大気 1 層モデル 大気層 地表 地球の入力 = 出力 大気層での入力 = 出力 大気層の面密度 ( 波長依存性なしと仮定 )
温室効果気体 2001
各種気体の温暖化係数 CO 2 だけでない
産業革命以降の各気体の濃度が変化の地球温暖化への直接の寄与度 CFC, HFC CH 4 亜酸化窒素 6.2% N 2 O フロン類 13.5% メタン 19.8% その他 0.4% 二酸化炭素 60.1% CO 2 大気中濃度の変化量 CO 2 1 (280 380 ppmv) CH 4 1 / 100 (800 1700 ppbv) フロン類 1 / 30,000 (0 3 ppbv) N 2 O 1 / 3000 (280 310 ppbv)
放射スペクトルと吸光度 全吸収 100% 透過 CO 2 や H 2 O の光吸収のない波長に光吸収を持つ分子は大きな温暖化係数を持つ
Junge relationship 時間スケール 1s 100s 1hr 1day 1yr 10yrs 100yrs マイクロスケール 局域スケール 比較的長寿命な成分 HO 2 NO 3 OH CH 3 O 2 C 3 H 6 C 5 H 8 メソスケール 大気中の長寿命成分 CO Aerosols Trop O 3 SO 2 H 2 O 2 NO x DMS 短寿命成分 地球的スケール CFC s N 2 O CH 4 CH 3 CCl 3 CH 3 Br CO 2 CO 2 CFC N 2 O CH 4 南北半球大気混合時間 半球内大気混合時間 大気境界層混合時間 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10,000 空間スケール, km
大気中の分子の寿命 1 / k[oh] 分子種寿命 Methane (CH 4 ) Methylchloroform (CH 3 CCl 3 ) Hydrogen (H 2 ) Carbon monoxide (CO) Propane (C 3 H 8 ) Nitrogen dioxide (NO 2 ) Dimethyl sulfide (CH 3 SCH 3 ) Isoprene (C 5 H 8 ) OH は大気の掃除屋 10 years 5 years 2 years 2 months 2 weeks 2 days 0.5 day 1 hour
プロセスに対する理解の必要性 大気への排出前駆体 プロセス 大気中存在量大気組成 特性 / プロセス 気候環境 このプロセスを理解することが重要 化学反応過程 物理化学特性 大気力学過程
私たちの研究強力な温室効果気体 CF 3 SF 5 の特性を調べる Cross section (10-17 cm 2 molecule -1 ) base e 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 光吸収スペクトル測定 大気中での光分解速度 0.0 100 110 120 130 140 150 160 Wavelength (nm) 非常に短波長にしか吸収なし 赤外スペクトル測定 温暖化ポテンシャル 夜間赤外放射の窓 との重なり大 CF 3 SF 5 大気中の寿命 850 年 GWP = 18,000
代替フロン HCFC:R22(CHClF 2 ) CFC ほど強力ではないが, オゾン層を破壊する能力があり, 温室効果ガスでもある オゾン破壊係数 0.055, 地球温暖化係数 1700 HFC:R134a(CH 2 FCF 3 ) オゾン層を破壊能力がないという意味で 環境配慮型 だが, 強力な温室効果がある オゾン破壊係数 0 地球温暖化係数 1300 京都議定書 温室効果係数 代替フロン (HFC PFC) 六フッ化硫黄 (SF 6 ) は 1995 年に比べて 先進国全体で 5.2% 削減する
私たちの研究大気中での代替フロン化合物の反応過程 CH 3 CHF 2 (HFC-152a) と OH, Cl との反応過程 CF 3 CFHOCF 3 と OH との反応過程 C x F 2x+1 CH=CH 2 (x=1, 2, 4, 6, 8) 化合物の大気化学 : 気相での Cl, OH, O 3 との反応過程 CF 3 O 2 と NO との反応過程 Tim Wallington 博士 ( 米国フォード自動車中央研究所 ) との共同研究
2001 黒色のエアロゾル エアロゾルが雲を作る 温室効果気体
地球全体のアルベド 30% 地上反射 3% 雲反射 22% 雲 大気吸収 20% 地表で吸収 50% 直接 間接の太陽光
海面の上昇 20 世紀の間 海面は10~20cm 上昇した 今後 地球温暖化に伴う海水温の上昇による熱膨張と氷河などの融解によって 2100 年までにさらに9~88cm 上昇すると予測されている 21 世紀の間 南極の氷床が融けるかどうかは現在の科学では確実な予測はできないが 今後 1000 年では南極の西部の氷床が融ける可能性があり その場合海面は現在より3m 上昇する可能性がある
地球温暖化に対する対策は? オゾン層破壊のフロン (CFC) の規制は成功している
1997 年京都議定書 京都議定書 ( 気候変動枠組条約 ) 2005 年 2 月発効日本 ヨーロッパ ロシアなど締結 アメリカは拒否
数値目標 対象ガス : 二酸化炭素, メタン, 一酸化二窒素,HFC,PFC,SF6 吸収源 : 森林等の吸収源による温室効果ガス吸収量を算入 基準年 :1990 年 (HFC,PFC,SF6 は,1995 年としてもよい ) 目標期間 :2008 年から2012 年目標 : 各国毎の目標 日本 6%, 米国 7%,EU 8% 等 先進国全体で少なくとも5% 削減を目指す
地球温暖化対策推進大綱 ( 日本 )
100 年後は 720ppm? 大気中の CO 2 濃度 環境重視の施策 550 ppm 370 ppm 280 ppm 180 ppm 40 万年前時間 ( 千年 ) 現在 GCP 2001 IPCC 2001
地球温暖化 100 年後はどうなる? 100 年後 横浜の世界最速のスパーコンピュータのシュミレーション計算の結果 現状の経済拡大 100 年後 4.2 上昇環境重視の施策をとる 3.1 上昇 N.H. Temperature ( C) 1 0.5 0-0.5 1000 1500 2000 2100 6 5 4 3 2 1 0 Global Temperature ( C)
国全体および一人当たり CO 2 発生量 国全体一人当たり
人類にとっての地球温暖化の意味 1. 世代間の不公平の問題 現在の世代エネルギーを充分使って快適な生活 子孫の世代過去の贅沢のつけを受けて温暖化と気候変動で困難な環境で生きる 2. 地域間の不公平の問題先進国エネルギーを充分使って快適な生活 発展途上国 これから豊かで快適な生活を目指そうと しているのに 現状で制限されるのか?
気候変動 起源 原因 時間幅 宇宙 宇宙塵 宇宙線など 数億年 太陽系太陽活動 ( 核融合 太陽風の変動 ) 小惑星との衝突 隕石落下 数千万年 地球の惑星運動の変化 ~ 数万年 ( 公転軌道の変化など ) 地球 火山爆発 海陸の配置や海流循環の変化 数千万年 生物の発生と進化による大気組成の変化 ~ 数万年 人間 化石燃料の消費 環境破壊 人工化学物質の使用 核爆発 ( 核の冬 ) 数百年 生態系の撹乱 ~ 数千年
以上は講義 3 章の一部です 3 章地球温暖化 に興味がある方は連絡をください 連絡先 : matsumi( アットマーク )stelab.nagoya-u.ac.jp ( アットマーク ) のところに @ をいれる