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 第３章 地球温暖化 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.
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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
第３章 地球温暖化
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
N2O
CO2 CH4
CFCl3 フロン
産業革命以降の大気中の各気体の濃度変化
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
地球温暖化地球温暖化
⇓気候変動
⇓水循環への影響
洪水 旱魃
-1.0
-0.5
0
0.5
1.0
1000 1200 1400 1600 1800 2000
温度変化 ℃
平安時代 鎌倉時代 室町時代 江戸時代 現在
西暦年
長期的な気温変動
地球の気温と二酸化炭素濃度
400000 300000 200000 100000 0
-12
-9
-6
-3
0
3
6
150
180
210
240
270
300
330
二酸
化炭
素濃
度
（ｐｐｍ
）
温度
（℃
）
年 （年前）
ウィスコンシン氷期
サンガモン間氷期
イリノイ氷期
カンザス氷期
ヤーマス間氷期
アフトニア間氷期 現在
↓
ネブラスカ氷期
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
18O / 16O の同位対比の計測
18O / 16O = 0.00205
水のH218OとH2
16Oでは同じ温度でも蒸気圧が違う
時間（千年）
370 ppm
180 ppm
GCP 2001IPCC 2001
280 ppm
100年後は700ppm ?
大気中のCO2濃度
40万年前 現在
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IPCC
Projections2100 AD
1000 1500 2000
0
0.5
1
-0.5
N.H
. Tem
pera
ture
(°C
)
2
4
3
5
6
1
0
Glo
bal
Tem
pera
ture
(°C
)
2100
100年後はどうなる？100年後
横浜の世界 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
地球表面の温度は
何によって決まっている？
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
惑星探査衛星ガリレオから見た地球と月
太陽
5500℃
地球からの熱放射～15℃
地球
地球の温度を決めるもの
太陽からの日射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
太陽光のスペクトル（波長強度分布）
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
200 400 600 800 1000 1200
太陽太陽光
紫外目で見える
赤外
波長（nm)
プリズム
スクリーン
各波
長で
の光
の強
さ
５５００℃の熱放射白色ランプも
この位の温度
各波
長の
強度
太陽の熱放射5500℃
地球の熱放射～15℃
波長
0.1μｍ 1μｍ 10μｍ
見える 赤外
ストーブ600℃
人工衛星
赤外探知機
大気
各波
長の
強度
人工衛星でとった各波長強度
波長
５μｍ １０μｍ ２０μｍ
メタン
オゾン
ＣＯ２ 水蒸気
１５℃の熱放射
フロン吸収
地球
夜
二酸化炭素（CO2）の光吸収
透明
0
100 400 700 1000 2000 3000 波長 （ｎｍ）
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
CO O
紫外光吸収
電子がより高い軌道をまわる
赤外光吸収
200
可視
光吸収強度
振動
CO OCO O
CO O
CO O
分子の振動と dipole moment
赤外光吸収あり
赤外光吸収あり
赤外光吸収なし
赤外光吸収なし
等核二原子分子
N2, O2 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
～15℃の熱放射
放射を吸収
二酸化炭素 ＣＯ2
メタンＣＨ4
フロンなど
地球
温室効果太
陽光
（可
視）
黒体
放射
（赤
外）
地球 地球 地球
エネルギーバランス
大気なし 現状 温室効果気体増大
-18℃
-18℃ -18℃
+15℃ +３０℃
透過 吸収
エネルギーバランス
エネルギーバランス
単位面積あたりの黒体放射強度 σT4, 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
地上反射 3%
地球全体のアルベド 30%
雲反射 22%
地表で吸収 50%
雲・大気吸収20%
直接・間接の太陽光
単位面積あたりの黒体放射強度 σT4
Stefan Boltzmann定数σ = 5.67 × 10-8 W m-2 K-4
ステファン－ボルツマンの式
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 σT4, σ:Stefan Boltzmann定数
太陽定数：地球上での太陽光強度 Fs = 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 TE = 255 K
地球の入力＝出力
大気層での入力＝出力
大気層
地表
大気１層モデル
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 CO2だけでない
その他0.4%
亜酸化窒素6.2%
フロン類13.5%
メタン19.8%
二酸化炭素60.1%
CO2
CH4
CFC, HFC
N2O大気中濃度の変化量
CO2 1
(280→380 ppmv)
CH4 1 / 100
(800→1700 ppbv)
フロン類 1 / 30,000
(0→3 ppbv)
N2O 1 / 3000
(280→310 ppbv)
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
100%透過
全吸収
放射スペクトルと吸光度
CO2やH2O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
南北半球大気混合時間
半球内大気混合時間
時間
スケ
ール
マイクロスケール
局域スケール
メソスケール
地球的スケール
• CFC’s• N2O
• CH4
• CH3CCl3• CH3Br
• CO• Aerosols
• Trop O3• SO2
• NOx• H2O2
• DMS• C3H6
• C5H8
比較的長寿命な成分
短寿命成分
• CH3O2• HO2
• NO3
• OH
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10,000
空間スケール, km
大気境界層混合時間
大気中の長寿命成分
1s
100s
1
hr
1d
ay
1y
r 1
0yrs
100y
rs CO2 CO2
N2OCH4
CFC
大気中の分子の寿命 1 / k[OH]分子種 寿命
Methane (CH4) 10 years
Methylchloroform (CH3CCl3) 5 years
Hydrogen (H2) 2 years
Carbon monoxide (CO) 2 months
Propane (C3H8) 2 weeks
Nitrogen dioxide (NO2) 2 days
Dimethyl sulfide (CH3SCH3) 0.5 day
Isoprene (C5H8) 1 hour
OHは大気の掃除屋
プロセスに対する理解の必要性
プロセス大気への排出
前駆体
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
Wavelength (nm)100 110 120 130 140 150 160
Cro
ss s
ectio
n (1
0-17 c
m2 m
olec
ule-1
) base
e
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
光吸収スペクトル測定⇒ 大気中での光分解速度
赤外スペクトル測定⇒ 温暖化ポテンシャル
CF3SF5 大気中の寿命 850年GWP = 18,000
「夜間赤外放射の窓」との重なり大非常に短波長にしか吸収なし
私たちの研究強力な温室効果気体 CF3SF5 の特性を調べる
代替フロンHCFC：R22(CHClF2)
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
温室効果係数
HFC：R134a(CH2FCF3)
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
代替フロン（ＨＦＣ、ＰＦＣ）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）は、１９９５年に比べて、 先進国全体で５．２％削減する。
京都議定書
私たちの研究大気中での代替フロン化合物の反応過程
• CH3CHF2 (HFC-152a) とOH, Clとの反応過程
• CF3CFHOCF3とOHとの反応過程
• CxF2x+1CH=CH2 (x=1, 2, 4, 6, 8) 化合物の大気化学:
気相でのCl, OH, O3との反応過程
• CF3O2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
温室効果気体
黒色のエアロゾル エアロゾルが雲を作る
2001
地上反射 3%
地球全体のアルベド 30%
雲反射 22%
地表で吸収 50%
雲・大気吸収20%
直接・間接の太陽光
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
海面の上昇
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）
時間（千年）
370 ppm
180 ppm
GCP 2001IPCC 2001
280 ppm
100年後は720ppm ?
大気中のCO2濃度
40万年前 現在
550 ppm環境重視の施策
地球温暖化
1000 1500 2000
0
0.5
1
-0.5
N.H
. Tem
pera
ture
(°C
)
2
4
3
5
6
1
0
Glo
bal
Tem
pera
ture
(°C
)
2100
100年後はどうなる？100年後
横浜の世界 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
国全体および一人当たりCO2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。
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