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これだけは知っておきたい 地球温暖化 （画面をクリックすると先に進みます）. 日本橋学館大学 （ 2009 年 9 月柏キャンパスでの公開講座の為に作成） 古山英二. 地球温暖化は、一言でいうと、. エネルギー問題である。 英語の energy 、ドイツ語の Energie 、語源は、 ギリシャ語のエルゴン（ εργον ）＝仕事という名詞に前置詞の εν （ en ）がついた、 ενεργον （エネルゴン）＝仕事中
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これだけは知っておきたい地球温暖化（画面をクリックすると先に進みます）これだけは知っておきたい地球温暖化（画面をクリックすると先に進みます） 日本橋学館大学 （2009年9月柏キャンパスでの公開講座の為に作成） 古山英二
地球温暖化は、一言でいうと、 • エネルギー問題である。 • 英語のenergy、ドイツ語のEnergie、語源は、 • ギリシャ語のエルゴン（εργον）＝仕事という名詞に前置詞のεν（en）がついた、ενεργον（エネルゴン）＝仕事中 • 中学理科の教科書には、エネルギーの種類として、熱エネルギー、電気エネルギー、光エネルギー（太陽光電池）、弾性エネルギー（バネ、ゼンマイ）、音のエネルギー等々が挙げられている。
そのようなエネルギーの種類をまとめると • エネルギーは、 • “熱”と“仕事＝運動”に大別することが出来、“熱”と“仕事”は相互に変換可能であり、 • 蒸気機関も内燃機関も, • 熱による空気の膨張を利用して仕事をする、 • 運動中の物体を外部からの力で停止させると（ブレーキをかけると）、“仕事”は“熱”に変換する、 • ここまでは中学レベルの理科の知識で納得できるが、
太陽電池の発電原理となると、中学レベルの物理では理解できない太陽電池の発電原理となると、中学レベルの物理では理解できない • 太陽電池の解説には、 • 太陽電池は、Ｐ型とＮ型の半導体で構成されています。これに太陽光があたると太陽の光子により、Ｐ型とＮ型の半導体接合部が励起され、 • Ｐ型半導体内部で発生した自由電子は、Ｎ型半導体に、Ｎ型半導体内部で発生した正孔はＰ型半導体側へそれぞれ移動し、半導体間に電位が生まれます。 • そこで、この半導体の両側に負荷を接続すると、直流電流が流れ電気エネルギーが取り出せることとなります。 • と説明されている、がよく分からない。
以上の説明を聞いてピンと来るには、 • 大学の理学部で光子、素粒子、電磁波、量子、量子力学等々を学習しなければならない。 • 目で見えるもの、肌で感じられるもの、耳で聞こえるもの、舌で味わえるもの、鼻で嗅げるもの、即ち５感のみに頼っていては自然現象を理解したり、説明したりすることが不可能になってきた。 • ニュートン力学＝古典力学の世界から更に発展して、 • 電子や原子核などの微視的な粒子を対象にした物理学が誕生し、 粒子と波動の二重性や確率的解釈、不確定性原理、等々、それまでの古典物理の常識が通用しなかった自然現象の解明が可能となった→現代物理学の成立。 • 現代物理学は、アルバート・アインシュタインが光電効果、ブラウン運動、特殊相対性理論の３つの重要な理論を発表した1905年に始まるとされている。
地球温暖化という現象を厳密に理解するためには、現代物理学の知識が必要、地球温暖化という現象を厳密に理解するためには、現代物理学の知識が必要、 • ここでは中学・高校レベルでの理科の知識、古典物理学の世界にとどまる。 • 速度が光の速度以下であり、物質の大きさが分子レベルであれば、古典力学は通用する。 • 冒頭で「地球温暖化はエネルギー問題である」と述べた。 • エネルギーは、“熱”または“仕事”として日常的に経験され、しかも両者は共通の単位で測定される。
熱量は、常識的に、カロリーで測定される • 水１ｇの温度を１℃上昇させる熱量を１カロリー（1cal.）であるとされているが、 • １９４８年の国際度量衡総会でカロリーを使用しないようにと決議され、 • 我が国では１９９９年１０月以降、栄養学・生物学の分野を例外として、カロリーの使用は禁止された。 • 理由は、水の比熱が温度により異なるため、 • ０℃の水１ｇを１℃上げるのと、１５℃の水１ｇを１℃上げるのとでは、必要エネルギーが異なるからである。
熱量は仕事量に転換される • 左右の重りの重量差（重力）により攪拌機が回転する。 • 攪拌されると、水の温度が上昇する。 • 仕事量を物差しの目盛りで測定、水の温度の上昇を温度計で測定、カロリーで計算したところ、 • 約4.2の仕事量が1Cal.の熱量に等しいことを発見した。 • 仕事量約4.2J=熱量1Cal. • 1J=0.238Cal
水の比熱は温度により異なるので、 • １５℃の水：1Cal=4.185J • ２０℃の水：1Cal=4.182J • ０℃の水 ：1Cal=4.219J • 熱量、仕事量の測定には、時間を加味する必要がある。即ち、１秒間に何ジュールの仕事か、何ジュールの熱量か、と言う具合に。 • 単位時間当たりの仕事量＝仕事率をワットで表す。 • ワット（Ｗ）＝仕事（Ｊ）÷時間（秒）
力・仕事・熱 • ニュートン力学における“力”の源は“重力” • １０ｋｇの物体を垂直に１秒間で１ｍ引き上げる力を計算すると、重力は１秒間に９．８ｍ落下する速度に重量を掛けた値だから、計算式は： １０ｋｇ × 9.8m/秒 ×１ｍ = 98J、 • 10ｋｇの物体を1秒間に垂直方向に１ｍ引き上げる力を持つモーターは98J/秒＝98ワット • 仕事率の単位として馬力が使われる： • フランス式馬力（PS）：1kg/75m/1s=735.5W • 英式馬力（ｈｐ）：1bf/550ft/1s=745.7W • フランス式馬力は当分の間使用できるが英式馬力の使用は昭和３３年以来禁止されている。
以上をまとめると→国際単位系 • Le Système International d‘Unités：SII • 熱量、仕事量に関するSIIはジュール＝Joule=Jで表現される。 • 日常的感覚では、ジュールは小さいのでKjを使うと、 • 1Kwの装置が1秒間に行う仕事量＝1Kj • 1Kjの熱量で0℃の氷3ｇを溶かすことが出来る。 • 地球上で100 kgの物体を1 m（または1 kgの物体を100 m）持ち上げたときの仕事は、約1 kJである 。
エネルギー＝熱量、仕事量の源泉 • 我々人間は、体温を維持しながら仕事をしている。 • 中程度の活動をする人の、一日一人当たりカロリー摂取必要量は、体重1ｋｇ当たり、30～35Kcal (平均32.5Kcal）←日本医師会 • 日本人の平均体重は、厚生労働省の「国民栄養調査」によると、男子＝65ｋｇ、女子＝50ｋｇ、 平均＝57.5Kg • 32.4 x 57.5 = 1,863Kcal • 1,864Kcalを人間は食物から得ていると同時に、 • 食物を得るためにエネルギーを消費している。
議論の単純化のために、 • 人間は全てのエネルギーをトウモロコシから得ていると仮定して、 • 1ha（約3000坪＝1町歩）当たりトウモロコシ産出量（Kg）と、産出のための必要エネルギー投入量（1000Kcal）を、人力、家畜力、機械力に分けて計算した数値が Energy and Agricultureという学術誌に載っていたので引用する。
人力・畜力VERSUS人力・機械力 • 機械力を使うと産出エネルギーは増加するが、 • 投入エネルギーも増加する。 • 結果として、単位当たりエネルギー投入量では人力・畜力の方が効率的。 • ただし、経済的には機械を使う方が効率的。 • その理由は、エネルギー価格が安いからである。
我々の豊かさとは、 • 我々が必要とするエネルギーを、 • 安価なエネルギー源を大量に使って、 • 経済効率的に大量に生産し、 • 生産されたエネルギーを、 • 大量に消費することで実現している。 • エネルギーは何故“安価”とされているのか。 • 石油の採掘可能年数で考えると、
石油の確認埋蔵量と可採年数 • 技術的に採掘可能であることが確認されている石油の埋蔵量を確認埋蔵量という。 • 確認埋蔵量をその年の生産量で割った数値が可採年数。 • 2005年可採年数は45年、 つまり2005年の生産量で採掘を続ければ45年で石油は枯渇する。 • そのような資源の価格を、 誰がどのように決めているのか。 • ちなみに、石炭の2005年の可採年数は147年、天然ガスは63年、ウランは85年。
我々が使うエネルギーの元の元は、 • 石油でもなく、天然ガスでも、ウランでもなく、実は、 • 太陽である。 • 水力は水の落下＝重力の利用であるが、水を重力に逆らって下から上に運んでいるのは蒸発＝太陽エネルギー • 化石燃料は全て太陽エネルギーを使って地球に生息した生物が起源 • そもそも地球は46億年前に、原始太陽の周りに渦巻いていた高温の塵やガスが冷えて集まり微惑星を作り、微惑星がぶつかりあって大きな原始惑星が作られ、原始惑星（地球）はさらに小さな惑星との衝突を繰り返し大きくなり、衝突による高熱で表面はマグマで覆われ大気は噴出ガス（CO2,N2、水蒸気）で覆われていた。やがて衝突がおさまり表面が冷えて雲を作り雨が降り続いて海が作られたのだから、全てのエネルギーの源は太陽。
そこで、地球と太陽について考える • 赤道半径は6,378,137m • 極半径は6,356,752m • 平均半径6,367km ≒球形 • 右は、縮尺41,849,600:1の地球儀で半径１５ｃｍ • 地球から太陽までの距離は、 • 150,000,000km • これを1/41,849,600にすると • 3584m=3.6km • 半径１５ｃｍの地球儀から3.6km離れたところが太陽の位置 • 同様縮尺で太陽半径：16.6m
太陽は、地球から1億5000万Ｋｍの彼方にあって太陽は、地球から1億5000万Ｋｍの彼方にあって • 赤道半径696,000Km、 • 地球の109倍 • 表面温度5,780K（5,507℃） • 総輻射量：3.85 x 1026W • 1026=10億ｘ10億ｘ1億 • 太陽のエネルギー源：重水素（原子量２）をヘリウム（原子量４）に変える核融合によってエネルギーを放出している。
地球における太陽エネルギー収支年平均見積もり（ＩＰＣＣ2007年）地球における太陽エネルギー収支年平均見積もり（ＩＰＣＣ2007年）
ＩＰＣＣのエネルギー収支表は複雑で解り難いので、ＩＰＣＣのエネルギー収支表は複雑で解り難いので、 • Oklahoma Climatological Surveyという、 • オクラホマ州政府が州民啓蒙のために掲載している • Earth Energy Budget （地球エネルギー収支）を参照する。このサイトは、 • http://climate.ok.gov/
地球のエネルギー収支のパーセント表示 • 地球に到達するエネルギーの30％は反射される。 • 残りの70％は地球に吸収されるが、 • 再び大気圏に向けて再放射される。 • エネルギー輻射と放射が同じであれば、地球の温度は変化しない。
地球の大気圏を通過して、 • 地球に到達する太陽エネルギーの総量は、放射照度で1平方メートル当たり342ワット、 • “放射照度”＝球体である地球が受ける放射を、平面が受ける量に換算したもの • 地球全体で、174ペタワット、生物の生存に適度にして、極めて十分なエネルギー量である。 • このような“適度”性は、地球の太陽からの距離と地球大気の存在とその性質のお陰である。
太陽からの距離が地球の0.72倍（約3割太陽に近い）太陽からの距離が地球の0.72倍（約3割太陽に近い） • 大きさは地球とほぼ同じで、大気圏を持ち、 • 大気圏の組成が96.6%二酸化炭素である金星の表面温度は、 • 最低228K （零下45℃） • 最高773K （500℃） • 右の写真は地球との比較 • 金星に海は存在しない
太陽から地球に放射される、 • エネルギーの30％は反射され、70％は地球に吸収され、地球は暖められるが、 • 地表からは、遠赤外線（熱線）としてエネルギーが大気圏を通して宇宙空間に向けて放射される。 • 遠赤外線とは、太陽光の内、波長8～15ミクロン（μm＝百万分の一メートル）の電磁波で赤外線（波長0.75～1000μmの電磁波）の一種で、 • 生物の生存に不可欠な要素の一つ。 • ちなみに、可視光線の波長は0.36～0.83μm、 • 赤、橙、黄、緑、青、藍、紫の順番で短波長となる。 • 三原色：R=0.700μm, G=0.546μm, B=0.436μm
極めて大ざっぱな例えでいえば、 • 厳寒の野原（宇宙空間）で、電気コンロ（太陽）で湯（地球）を沸かすと、 • 電気コンロに電気が付いている間は（昼）は湯は温度を保つが、 • 電気が切れれば（夜）湯はどんどん冷える。 • しかし、熱を反射する反射板（大気圏）があるので、湯は暖められ、適度な温度に保たれる。
例え話を事実関係に置き換えると、 • 太陽からの放射は大気圏でフィルターされ、紫外線～可視光線～赤外線となって地表面に入射し、 • この入射量につり合うために、顕熱、潜熱に加え、 地表面はそれに見合う長波放射を行う。 • 地表面からの長波放射は、大気中の特定ガスに吸収され、再び地表に放射される。 • そのようなガスが“温室効果ガス”と呼ばれる。 • その結果、地表の平均大気温度は、 • 15℃前後に保たれている。
地表の平均大気温度が、 • 288.15K（15.15℃）に保たれているという事実は、極めて重要な意義を持つ。 • 地球の誕生は46億年前と推定されている。 • 地球の誕生から人類の誕生までの期間を総称して“地質時代”（geological age）と呼ぶ。 • 地質時代は、25億年前に始まる原生代から古生代、中生代、新生代に区分され、 • 65万年前から始まる新生代は、更に6期の“世”に細分され、最近世が更新世（洪積世）であり、 • 更新世は180万年前から1万年前まで続いた。 • 更新世の次の“世”が完新世で、我々は完新世時代に暮らしている。
更新世時代の地球は、 • ほとんど氷河に覆われていた。 • 約1万年前から氷河が溶け始め、気温が安定し、 • 春夏秋冬の四季が定期的に訪れるようになり、 • 農業発祥の気候的環境が整い、文明の誕生と人類の一大繁栄の時代を迎えた。 • 大気の平均温度が15.15℃前後に保たれてきたのは、 • 太陽エネルギーの入射と地表からの遠赤外線放射が微妙なバランスを保ってきたからであり、 • その微妙なバランスを保っているのが、温室効果ガスの存在である。
温室効果ガス（Greenhouse Gas） • 地表面からの長波放射は、 • 大気中の温室効果ガスに吸収され、 • 再び地表に放射される。 • 「温室効果」を持つガスは数多く知られているが、 • 1997年12月11日京都国際会議場において「国連気候変動枠組条約」の下で調印された「京都議定書」は、「温室効果ガス」を次の6種類規定している。
Greenhouse Gas（温室効果ガス）別名Kyoto Gas • 二酸化炭素（CO2） • メタン（CH4） • 一酸化二窒素（N2O） • クロロフルオカーボン（CFC-11） • ハイドロフルオカーボン（HFC-23） • 四フッ化炭素（CF4）
CO2濃度379ppmとは、 • 具体的に何を意味しているのか。 • ppmはparts per million=百万分比、 • パーセント（per cent）より3桁少ない。 • 379ppm=0.0379パーセント • 大気中の二酸化炭素濃度は0.0379パーセント • という数字は、何を意味しているのか。 • まず、大気の量はどのくらいあるのか。
2006年度名古屋大学大学院環境学研究科入学試験問題の一つ2006年度名古屋大学大学院環境学研究科入学試験問題の一つ • 地球の地表面における大気圧は平均約１気圧で、これは1,033g重／c㎡に相当する。これから、地球上の大気の総重量は何兆トンになるかを概算せよ。ただし、地球は球形とみなし、その半径は6,700kmとせよ。
大気の総重量を計算する • 地球を球形と見なして、 • 地球の表面積：4π6,367,4442 • 答え：509,494,811,271,860m2 • 読み方： ５０９兆４９４８億１１２７万1862平方メートル • 大気の重量：10．34トン/1m2 • 地球全表面では： 5,268,176,348,551,040トン • 読み方：5268兆1763億4855万1040トン
大気の平均分子量は、窒素の分子量（ N2=28）に近く、 • その値は２９である。（酸素=O2の分子量=32） • CO2の分子量＝44であるから、44/29=1.5172、 • 5334,410,674,016,370×1.5172×10-6 • 答えは、 8,093,589,880トン、約８１億トン • 10-6とは、100万分の一（ppm）のことである。 • 即ち、CO21ppm当たりの重量は81億トン。 • 379ppmであれば、 3,067,470,564,520トン • 3兆674億7056万4520トン
現象の発見と仮説の誕生 • 長期的傾向として大気の温度が上昇している（気温上昇）という現象の発見と、 • その原因が温室効果ガスの大気中濃度の上昇にあるのではないかという仮説の誕生。 • 地表温度の決定要因として大気が果たす役割に注目した最初の科学者は、 • 数学者としても有名なジョセフ・フーリエ（Joseph Fourier ）であった。（1827 年） • 19世紀末から20世紀初頭に活躍したスウェーデンの科学者スヴァンテ・アレニウス（Svante Arrhenius ）は、
スヴァンテ・アレニウス（1858-1927） • 水に溶けて水素イオン（H+）を生ずる物質を酸性、OH-を生ずる物質をアルカリ性と定義した。 • 化学反応の速度は温度に依存することの発見と証明。 • CO2が温室効果ガスであることに初めて言及した。 • 以上がアレニウスの3大功績。 • 1903年ノーベル化学賞受賞
大気中CO2濃度の本格的測定 • 200年前の氷から氷柱を切り出し、氷柱に封じ込められている大気のCO2濃度を測定、 • 大気中のCO2濃度の測定は、1958年から本格的に開始された。 • 1957年の「地球観測年」を契機として、ハワイのマウナ・ロア山頂に設けられた観測施設で、 • 1958年からRoger Revelle教授の指導の下で観測が開始された。 • 我が国では岩手県大船渡綾里の観測所で気象庁が1988年からCO2濃度の観測を開始した。 • その結果、
気温の実測 • WMO （世界気象機関）の規則により、 • 地上から1.25～2.0m の高さ（日本の気象庁の基準では1.5m）で、温度計を直接外気に当てないようにして測定する。 • 温度計はファン付きの通風筒や百葉箱に入れられる。 • 気温は場所、季節により異なるので、 • 平均気温の算出のために測定時期と測定場所が定められる。 • 日本の気象庁は、北は稚内から南は南鳥島まで、 • 156カ所の観測地点を定めている。 • 更に、南極昭和基地も観測地点となっている。
日本における気温の計測 • 気象庁が1971～2000年まで、全国81カ所で計測した月別平均気温の年平均気温を、 • 札幌の12.5℃から那覇の25.3℃まで全国平均すると、 • 18.04℃となる。 • この平均気温に対する各年の平均気温の差を平年差という。 • 1900年から2005年までの平年差をグラフに示すと、
世界の気温計測は • ジュネーヴに本部を持つ世界気象機関が世界各国からの計測データをまとめている。 • ノルウェーのオスロからフィリピンのアキノ国際空港まで、世界204地点の、 • 年間平均気温と平年差の推移を示したのが次のグラフである。
