Effects of Plant Decomposition and Soil Respiration on CO2 in the Atmosphere via Global Temperature Changes

M. Nishioka, Curr Res Env Sci Eco Letters 1(1), 01-12, 2024

Based on the following results, we conclude that changes in plant decomposition and soil respiration due to global temperatures primarily control global CO2 cycles. The impact of CO2 emissions from fossil fuel combustion on global warming is extremely low. For these reasons, the man-made global warming hypothesis needs to be carefully reinvestigated.

fig-1

Figure 1. Correlation between temperature and CO2 changes during 1979-2022. Temperature (°C, red line): 13-month average of lower troposphere anomaly values by UAH with scales on the left. CO2 (ppm/year, blue vertical lines): difference from the previous year in annual averages by NOAA with scales on the right [5].

drco2/dt ≒ γ ΔT
(rco2: CO2 concentration,γ: constant, ΔT: temperature change)
ΔT –> (0.5-1 year) –> Δrco2
(Δrco2: a change in CO2 concentration)

fig-2

Figure 2. Simplified carbon cycles and carbon equivalent estimates (unit: GtC) obtained from the IPCC report [13]

Anthropogenic CO2 accounts for only 4% of the total

fig-3

Figure 3. Global fossil fuel CO2 (blue: GtC/year) and global CO2 growth rate (red: GtC/year) between 1979 and 2021 (datasets: [14, 15]).

There is no correlation between CO2 exhausted from fossil fuel combustion and drco2/dt.

fig-4

Figure 4. Compositional ratio of greenhouse gases in the atmosphere when H2O is assumed to be 1%.

CO2 is only 4% of greenhouse gas.

fig-5

Figure 5. Solar energy budget based on the NASA dataset [19]

Nearly the entire amount of reflected IR (15%) is absorbed by H2O molecules.

fig-6

Figure 6. Trends of both δ13C (blue, scale: left) and CO2 (red, scale: right) in Barrow, AK between 2010 and 2014

δ13C and CO2 show anti-correlation, but the interpretation of the Suess effect cannot be applicable when considered together with the global carbon budget.

fig-7a
fig-7b

Figure 7. (a) Temperature change (℃) between 1979 and 2022 in the tropics (20 S-20 N, red), north latitude (20 N-90 N, green), and south latitude (20 S-90 S, purple); (b) the change rate of CO2 concentration (ppm/year) with latitude between 1979 and 2022 at sine latitudes (-0.75≒50 S: purple, 0: red, and 0.75≒50 N: green) [11]

The extent of the correlation between drco2/dt and ΔT differs depending on the latitude and between the land and sea.

fig-8

Figure 8. Proposed process for El Niño events: an increase in global temperature, an increase in respiration, and subsequent global CO2 emissions [5]

During El Niño, drco2/dt follows ΔT with a time lag of several months, and CO2 emission and absorption at the Earth’s surface respond to ΔT.

fig-9a
fig-9b

Figure 9. Atmospheric concentrations of (a) CH4 (red line, scale: left) and CO2 (green line, scale: right) and (b) CH4 (red line, scale: left) and N2O (blue line, scale: right) between 2018 and 2022 (dataset: [12])

The concentrations of CO2, CH4, and N2O gases decrease from spring to summer and increase from fall to winter.

fig-10

Figure 10. Proposed seasonal pattern for the generation of CO2, CH4, and N2O with a time lag of several months by plant decomposition and soil respiration

Soil respiration activates in spring because of increasing temperatures and generate CO2, CH4, and N2O in fall due to biological processes after a time lag.

fig-11

Figure 11. The Mendenhall Glacier and Lake are located 20 km north of Juneau, AK (by Author, 8/2/2014)

The retreat of glaciers may have been caused by the transition to the modern warm period due to natural cycles rather than the effects of CO2.

fig-12a
fig-12b

Figure 12. (a) Patterns of warm periods and the Little Ice Age for the last 2,000 years, and (b) proposed CO2 absorption and emission processes with temperature changes during cool and warm periods on Earth

CO2 has evolved to breathe slowly in response to ΔT.

fig-13

Figure 13. The global CO2 cycle was modified from the cycle in [33]. CO2 does not necessarily cause adverse effects on the global environment (see Text).

Plant decomposition and soil respiration are paralleled by microbial processes and increased soil fertility, and Earth is becoming greener due to rising CO2 and increasing fertility.

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Changes in Temperature and CO2 in the Atmosphere at Various Latitudes

M. Nishioka Curr Res Env Sci Eco Letters 1(1), 01-09, 2024

fig-1a

  fig-1b

Figure 1. (a) Temperature change (℃) in the tropics (20 S-20 N, red), north latitude (20 N-90 N, green), and south latitude (20 S-90 S, purple) between 1984 and 2011 and (b) the change rate of CO2 concentration (ppm/year) across latitudes between 1984 and 2011 [7]

fig-2a
fig-2b

Figure 2. (a) Temperature change (℃) between 1979 and 2022 in the tropics (20 S-20 N, red), north latitude (20 N-90 N, green), and south latitude (20 S-90 S, purple); (b) the change rate of CO2 concentration (ppm/year) with latitude between 1979 and 2022 at sine latitudes (-0.75≒50 S: purple, 0: red, and 0.75≒50 N: green)

fig-3

Figure 3. CO2 concentrations (ppm, left scale) between 1979 and 2022 at Barrow, AK (green); at Mauna Loa, HI (red); and at Tutuila, American Samoa (purple); and anomalies of temperature change (℃, cyan, right scale) between 1979 and 2022 at north latitude (20 N-90 N).

fig-4a
fig-4b

Figure 4. (a) The change rate of CO2 concentration (ppm/year) at sine latitudes (0: red, 0.25: yellow, 0.50: blue, 0.75: green, 1.0: gray) between 2008 and 2011 (see point β in Figure 2(a) and point β’ in Figure 2(b)); (b) the change rate of CO2 concentration (ppm/year) at sine latitudes (0: red, 0.25: yellow, 0.50: blue, 0.75: green, 1.0: gray) between 2014 and 2017 (see point γ in Figure 2(a) and point γ’ in Figure 2(b)).

fig-5a
fig-5b

Figure 5. Temperature changes (℃) on land (brown) and in the ocean (blue) between 1979 and 2022 at (a) southern latitude (20 S-90 S) and (b) northern latitude (20 N-90 N).

fig-6

Figure 6. Changes in temperature and CO2 concentration in the atmosphere at different latitudes, and forest biomass distribution [8]. See Table 1 for the descriptions numbered.

fig-7

Figure 7. Area ratio between land and sea at different latitudes (the blue portion denotes sea, and other colors denote land). (See [13] for details.)

Table 1. Summary of the results obtained in this study. The numbers correspond to those in Figure 6.

table-1

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Changes in Temperature and CO2 Concentration Induced by El Niño

M. Nishioka, Sci Rep J. 2:192 (2023)

fig-1

 Figure 1 Correlation between temperature and ENSO index during 1979-2022. Temperature (°C, red line): 13-month average of lower troposphere anomaly values by UAH with scales on the left. ENSO index (blue vertical lines): two-month average by NOAA with scales on the right.

 fig-2

Figure 2 Correlation between temperature and CO2 changes during 1979-2022. Temperature (°C, red line): 13-month average of lower troposphere anomaly values by UAH with scales on the left. CO2 (ppm/year, blue vertical lines): difference from the previous year in annual averages by NOAA with scales on the right.

fig-3

Figure 3 Change in temperatures and CO2 concentrations during El Nino in 2015-2016 (horizontal line: months starting January 2015), (red: UAH lower troposphere 13-month average temperature (℃) with left side scale, blue: monthly CO2 growth rate (ppm/year) reported by NOAA with right side scale)

fig-4

Figure 4 Changes in global temperatures and CO2 concentration growth rate from Figure 2 during El Niño in 1997-99

fig-5

Figure 5 Simplified carbon cycles and carbon equivalent estimates (unit: GtC) obtained from the IPCC report

fig-6

Figure 6 Derived processes for El Niño, global temperature, plant respiration (or decomposition), and subsequent global CO2 emissions

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El Niñoで燃焼排ガスの半分に相当するCO2が放出する

-    温度変化、CO2変化速度、およびEl Niño現象

1979年から人工衛星による地球の温度の観測が始まった。観測、解析しているのは、UAH(The University of Alabama in Huntsville)とRSS(Remote Sensing Systems)の二つのグループである。図 1 には、UAHで測定されている対流圏下部の温度変化を示す。高度、約 3,000メートル付近の温度である。赤い実線は、その月の前後6ケ月を含んだ13カ月平均を示す。上下を繰り返しながら非常に緩やかに上昇している。各高度、および各地域を含めたオリジナルのデータはWeb上で毎月初めに入手可能である。

fig-1
Fig.1 UAHによる人工衛星で観測した対流圏下層における温度(1)

下図は、年ごとのCO2の増加量を示したNOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)が発表している結果である(2)。NOAAのオリジナルのデータおよびグラフはWeb上で入手可能である。季節によりCO2濃度が大きく変化するので、前年の年間の平均値が示されている。季節によるCO2の変化は、夏の光合成による植物体によるCO2の吸収と、冬の光合成が不活発な時期の植物体の分解に依存している。分解残留物は、土壌中に溜まっていく。前回のIPCCの炭素サイクルの図で示したように、表面の植物体と合わせると炭素換算量で1950-3050 GtCである。化石燃料の埋蔵量446-541 GtCより遥かに多い量である。これらの有機炭素が分解し、温度が上昇すると分解量も多くなるのである。温度上昇で発生するCO2の量は莫大である。これまで何度も述べて来たように、CO2濃度の変化速度は温度変化と良く対応している。下図で示されているNOAAのCO2の年間の変化量(ppm/year)は言わば一年ごとの変化速度である。

fig-2
Fig.2 NOAAの報告によるCO2の年間の変化速度(ppm/year)(2)

温度変化とCO2の変化速度には良い相関あることは、上記の二つのデータを比較すると良くわかる。また温度変化はEl Niño現象と良い相関があることがわかっている。そこでEl Niño指数(3)を使って調べるてみると、これらの三つのデータに良い相関があることがわかる。下図にその相関を示す。なお、6/15/1991のMt.Pinatuboの噴火の時、15か月にわたり 0.6 ℃ 温度が下がっている。従って、この時期の相関は良くない(4)。

fig-3

Fig.3 1979-2022年の間の衛星による温度測定値(対流圏3,000m、13カ月平均anomaly、℃)、NOAAによるCO2増減観測値(ppm/year)、およびEl Niño 指数との相関

CO2濃度は1959年から2022年まで平均1.60 ppm/year(= 3.42 GtC/year)の変化速度であった(単位の換算については前回を参照)。数年おきに起きるCO2増加の変化は、El Niño指数で示すようにEl Niñoによる温度上昇に伴って起きている。例えば1997-99年の時は、増加が約2 ppmでSuper El Niñoと考えられ、温度は約0.5℃上昇し、4 GtC(= 2 ppm)のCO2が新たに大気へ放出された。化石燃料の年間の燃焼によるCO2排出量7.8 GtC(= 4.18 ppm)の半分に相当する量であった。El Niñoが終わって元に戻る過程では、結果的にはCO2が増加分に相当する量が減少する。あたかも下図で示すように、地球の温度が上昇する時には地球からCO2から吐き出され、温度が低下する時には地球にCO2が吸い込まれるかのようである。このEl Niñoに伴う温度変化とCO2の変化は図3で示されるように、長期にわたり普通に起きている。しかも、化石燃料の燃焼排ガス量と比較すると分かるように、変化するCO2は結構大きな量である。

fig-4
Fig.4 1997-99年のEl Niño の時の、図1を拡大した温度変化(0.5℃)とCO2変化(4 GtC: 2ppm)

OCO-2(Orbiting Carbon Observatory-2)は、大気中のCO2を測定するために設計された NASA の最初の衛星である(5)。 OCO-2 は 2014 年 7月2日に打ち上げられ、2年目にEl Niñoと遭遇した。2015年は、2011年 に比べて、温度は0.25℃高く、2011年の人工衛星のモニタリングによる COの観測結果と比較して約 2.5 Gt の CO2 が熱帯地域から発生した(6, 7)。これは、1997-1999 年のEl Niñoでの推定値(4.4-6.7 GtC)の約半分である。報告では、干ばつによる植生摂取量の減少、およびバイオマス燃焼の増加と推測している。しかし、この CO2 の上昇の主原因は、今まで述べて来たように高温における植物分解による変化と解釈できる。

fig-5
Fig.5 人工衛星の観測による2015年のエルニーニョの時のCO2発生量(7)

Murry Salby により提唱されたようにCO2の濃度変化速度drCO2/dtは(1)式で表される。 (→大気中のCO2 濃度は温度で決まる)

eq-1                      (1)

ここでγは定数、(T-T0)は温度変化である。あるいは、

eq-2                     (2)

図3を眺めると、数年おきに温度が変動していてしかもEl Niño現象に良く対応している。そしてさらに温度変動に呼応してCO2が変化している。これは上記の式(1)を裏付ける。この温度変動により放出、吸収されるCO2は感覚的に気づきにくいが、結構多くて化石燃料の燃焼により排出されるCO2に比較しうる量である。

現在(summer/2023)、El Niño現象が始まっているところで各地で高温のところが出ている。並行してCO2の放出が増えているものと推測され、来年のNOAAのCO2の結果報告に表れるはずである。

まとめ
1.エルニーニョ、温度、CO2の変化は40年以上にわたり相関している。
2.ENSOが引き金となり温度が変わる。
3.温度の変化に応じてCO2の吸収・排出速度が変わる。
4.化石燃料からの排出CO2は、上記のCO2の吸収・排出速度に影響しない。
5.大きなエルニーニョでは、温度が0.5℃、CO2が2 ppm変化する。
6.大きなエルニーニョでは、CO2が4 GtC排出される。

References:

  1. https://www.drroyspencer.com/latest-global-temperatures/
  2. https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/gl_gr.html
  3. https://psl.noaa.gov/enso/mei/
  4. https://earthobservatory.nasa.gov/images/1510/global-effects-of-mount-pinatubo
  5. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5776
  6. https://www.nature.com/articles/s41598-017-13459-0
  7. https://www.aaas.org/news/satellite-shows-how-climate-could-alter-global-carbon-cycle
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温暖化している時はCO2濃度を下げられない

- 全化石燃料の燃焼を止めても

夏は食べ物が腐りやすい。温度が上がれば腐る速度は速くなる。CO2を出しながら分解しているが、微生物による生物プロセスなので時間がかかる。雨の多い日本は緑に溢れる。多くの植物体は毎年新しい新芽にとって代わる。木々は100年以上生きるものもある。極端な例が、屋久島の万代杉で樹齢3000年である。しかし、いずれ死に絶える。古い植物体は土の中に埋まったり、地表に折り重なったりする。最後は、CO2を出しながら分解して次の世代にとって代わる。見た目には変わらない緑だが、年々世代交代をしている。この世代交代による、地球上から放出されるCO2は莫大な量である。燃焼排ガスと違って目立たないだけである。夏や熱帯地方では植物の分解によるCO2の発生量はより多い。

fig-1
Fig.1 横山展望台から眺めた緑で覆われる英虞湾 (5/17/2023、筆者)

下図は、IPCCの報告書(AR5-Chap.6-Fig.6.1)からの地球の炭素サイクルの概略である。植物体の分解量は合成量に追いつけず少しずつ溜まっていく。これらの残留物は、図中でSoil中の炭素換算量として1,500-2,400 GtCと記されている。化石燃料よりも遥かに多い量である。表面のVegetation 450-650 GtC と合わせると非常に多い。これらの有機炭素が分解するわけで、温度が上昇すると分解量も多くなる。だから、温度上昇で発生するCO2の量は莫大である。

fig-2
Fig.2 地球の炭素サイクル量(単位: GtC/year)。 工業化以前は、黒い数字と矢印で、2000 年から 2009 年の間の平均値を赤い矢印と数字で示す。(AR5-Chap.6-Fig.6.1)(オリジナルの図にリンクすると拡大して見ることができる、赤い矢印と数字は 人為的な起源とみなされる-筆者)

上記のIPCCの図は、この分解プロセスをrespiration and fire 118.7 GtC と示している。fossil fuelの燃焼等の人為的な排出量の総計8.9 GtC より遥かに多い量である。不幸にも、炭素サイクルに基づいたIPCCの解析は有機炭素の分解プロセスあるいは土壌呼吸(→土壌呼吸とCO2)の温度依存性を考慮していない。致命的な問題である。地球が温暖化している過程では、温度上昇で有機炭素が分解して発生するCO2の増加量は、人為的な燃焼排出ガスからのCO2を凌駕する量である。そして、例え化石燃料の燃焼をゼロにできたとしても、多くの場合CO2濃度を下げることはできない。以下、このことをHermann Hardeの論文(1)を基に定量的に考察していく。

燃料の燃焼などによるCO2排出量は下の図4のように報告されている。2012年の時のCO2排出量は約28.6 billion tでIPCCによる上の図2の7.8 GtCに相当する。

ca. 28.6 billion t CO2 –> 7.8 GtC (@2012)     (1)

なお以下、頻繁に必要になる単位の換算は次のようである。CO2から炭素換算への量の変換は44/12(CO2/C)=3.67で割る必要がある。

1 billion t = 1 Gt = 1 Pg    (2)
CO2/C(44/12)= 3.67       (3)

図2の上部に記されている589 GtCは、工業化以前のCO2濃度280 ppmで、増加分240 GtCは2012年におけるCO2濃度の上昇分110 ppmである。IPCCが上昇分の全てを人為起源としているのは根拠のない作り話である。参考までに数字の変換は以下のようになる。

(589 GtC × 3.67/44)/(5,135 Eg / 28.9) ≒ 280 ppm
(3.67 = Carbon からCO2 への変換因子, 44 = CO2分子量, 28.9 = Air分子量)
Air Mass = 5,135 Eg (= 5,135 × 1018g) = 5,135,000 Gt

単位の変換は、下記で示すようにExcel、VBAのModuleに関数を定義しておいてスプレッドシート上で利用すると便利である。例えばCO2の589 GtCはユーザー関数、GtCToppmを使って276.5 ppmと変換できる。

fig-3

Fig.3 単位変換にExcelのVBAのFunctionを活用した例 (VBA Coding)

上記の場合、CO2の年間の排出と吸収における出入がおよそ210 GtCだからCO2 の全保持量(589 + 240 GtC)を考えて、CO2の大気中での留時間τは約4年となる。

(589 + 240)GtC・year-1 / 210 GtC・year-1 ≒ 4 years

滞留時間は、大気中の14C の地球表面への吸収速度の結果から確かめられた。この場合は8.6 年だった。(→温暖化の科学の出発点 3)

fig-4
Fig.4 CO2 emissions by fuel

次にCO2変化の動力学は以前整理したように排出と吸収プロセスからなり、その時間のCO2濃度に比例するという一次の速度式で近似できる。(→温暖化の科学の出発点 2)すなわち、CO2濃度Cは(4)式で表される。

C = (eN + eA) × τ × (1 – exp(-t/τ)) + C0 × exp(-t/τ)    (4)
= (93 + 4.2) × 4 × (1 – exp(-t/4)) + 390 × exp(-t/4)    (5)
(93と4.2 は、それぞれ図2の 199.1 GtCと 8.9 GtC をppmに変換した値)

第一項のCO2の大気への排出プロセスは、自然の排出(eN: natural emission)と人為的な排出(eA: anthropogenic emission)からなる。CO2の年間の排出量(ppm)と滞留時間(year)との積が初期値に相当する。第二項は海への吸収プロセスでCO2の初期濃度C0が変化していくプロセスである。(5)式は2012年のケースで、結果を下図に示す。CO2濃度(ppm)の変化を時間(year)に対してプロットしてある。このケースでは、滞留時間が4年であって、10年以内には平衡状態になることがわかる。一方、IPCCは、CO2の滞留時間を1,000年以上とみなしていて8.9 GtCの数10%が長期的に残留し、4 GtCが毎年蓄積して行くと言う。

fig-5
Fig.5 2012年を例にしたCO2濃度(ppm)の経時変化(year)

次に温度依存性を考察する。例えば温度が上がるとCO2濃度が上昇しCO2の滞留時間が長くなる。狭い温度範囲では排出量と滞留時間を一次式で近似できる。そこでCO2の温度に対する濃度変化を下記の式(7)で表す。人為的な排出量は温度に依存しない。工業化以前の1850年のCO2濃度280 ppmをベースに考えると、1960年で0.3℃、2000年で0.74℃温度が上昇したので下記で示すように計算できる。結果の315 ppm、361 ppmはおよそ実測値と一致する。

C = (eN(TE) + eA) × τ(TE)                         (6)
= (eN0 + βe × ΔTE + eA) × (τ0 + βτ × ΔTE)     (7)
(@1960)
C = (80 + 15 × 0.3 + 1.4) × (3.5 + 0.55 × 0.33)     (8)
=  315 (ppm)
(@2000)
C = (80 + 15 × 0.74 + 1.4) × (3.5 + 0.55 × 0.74)    (9)
=  361 (ppm)

fig-6
Fig.6 式(7)で温度上昇値(ΔTE)を0 – 1℃ の範囲で計算した結果
(横軸はΔTE、縦軸はCO2濃度ppm)

0 – 1℃ の温度上昇の範囲で計算したのが上図である。このグラフから、2012年の温度から0.2℃、0.4℃の上昇が、CO2の390 ppmからの増加分20 ppm、40 ppmに相当するものと近似できる。従って、(7)式を使って計算すると下図に示すようになる。緑の部分が自然界からのCO2排出の部分で、濃い部分が植物体に関する量、薄い部分が海から排出される量である(厳密な振り分けはできないので、初期値の割合で振り分けてある)。温度上昇により有機炭素の分解量が多くなり自然界のCO2排出量が多くなることが分かる。人為的なCO2排出量の温度変化はほぼゼロである。19世紀に小氷河期を抜け出して以降、大きな傾向として気温は上昇して来ている。現在も温暖化が続いている。ここに示した結果から、温暖化が続く限り、たとえ全化石燃料の燃焼を止めることができたとしても、大気のCO2濃度は増え続けることになる。

fig-7
Fig.7 2012年の状況で温度だけが上昇したものと仮定した時の自然と人為的なCO2排出量の構成割合の変化

最後に、IPCCの〝現在のCO2の大気濃度が数ppmから数10ppm上昇すると地球の温度が上がる″という仮定へと導く誤りを報告書からまとめておく。

  1. 温度、CO2濃度の経時変化に〝ホッケースティック曲線″を仮定している。
  2. 産業革命以降のCO2上昇分が全て人為的に排出されたものと仮定している。
  3. 概略、CO2の大気における滞留時間が1000年以上だと仮定している。
  4. 朽ちた植物体の温度上昇による分解のCO2発生量を無視している。

文献

  1. Hermann Harde, Global and Planetary Change, 152, 19, 2017
  2. https://ourworldindata.org/emissions-by-fuel

 

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産業革命以前も変動していたCO2

前にも述べたように、IPCCが主張する“CO2が増加すると温度が上がる”というのは証拠のない仮説である(→温暖化の科学の出発点)。気候と CO2 を結び付ける IPCC のアプローチの問題点は、産業革命以前、大気中の CO2 濃度は約 280 ppm でほぼ一定であったと仮定していることにある。この仮定に基づいてCO2に関しても、温度変化に類似のCO2版の“Hockey Stick”曲線がIPCCにより提唱された。下図は2007年の報告書からである。温度の“Hockey Stick”曲線は、2007年の報告書で取り下げられたが、2021年の報告書で再び戻ってきた(→Michael Mann の名誉棄損訴訟のゆくえ) (→戻ってきたホッケースティック曲線)。これら二つの“Hockey Stick”曲線がIPCCの仮定の出発点になっている。

fig-1
Fig.1 IPCCにより提唱されたCO2の“Hockey Stick”曲線

アメリカでは1930年代に何度か熱波が観測されている。1934年は、アメリカでは近年で最も暑い年の一つであった(→気候はいつも変動してきたのでは…?)。後に示すが、1930-40年は世界的にも暖かい期間だった。この温度変化に呼応したCO2の変化が上図の“Hockey Stick”曲線には見られない。しかし、過去のCO2の直接分析結果によると、実際には1930-40年にCO2の大きな変化があったことがわかる。CO2 が気温の変化に伴ってかなり変化していたのである。ここでは二つのの論文(1,2)を基に過去のCO2変化について整理していく。

IPCCの気候とCO2についての仮定は、CallendarKeeling による大気中の CO2 濃度に関する1800 年から 1961 年の間の380 を超える文献のレビューに基づいている。Keelingと IPCC はこれらの論文を詳細に検討しなかった。むしろ、彼らはこれらの技術の信用性を傷つけたとも言える。入手可能な文献の約 10% しか調べていないのである。そして、ほとんどに欠陥があるか不正確であるとして、彼らは受け入れを拒否したのである。

1857 年から 1958 年の間、大気中のCO2を測定する方法は、Pettenkofer法が標準的な分析法だった。誤差は 3% 以下である。しかし、Callendar(1938 年) 以降の気候学者達はCO2 の直接分析法を無視してきた。Beck(1)はこれら分析の正当性を1日、1カ月、1年の変化について丁寧に比較、検討している。

1812 年以降、大気中のCO2 について90,000 件以上の化学分析が行われた。過去の直接分析結果は、下図(1)に示すようにCO2 が単調に変わってきたのではなく、気温の変化に伴ってかなり変化したことを示している。そして、北半球におけるCO2の濃度は3つの高レベルを示した。高レベルのピークは、1825 年、1857 年、1942 年頃に観測された。上記でも述べた1930-40年の温暖期に対応する1942年のピークでは、現代のCO2濃度に匹敵する400 ppm 以上の値が観測された。

fig-2
Fig.2 北半球における1812-1961間のCO2の直接分析結果、1857-1961間は一年以上にわたりサンプリングした結果を含む、右上のチャートはサンプリング期間と分析者名を示す(1)

この間の南極の温度変化の例は下図で示される(2)。CO2の三つのピークが温度の上昇に対応していたのだろうと推測できる。従って、1812-1961間のCO2、温度とも “Hockey Stick”で指摘されるように決して単調に変わってきたのではなく、かなり変化してきたことをデータは示している。

fig-3
Fig.3 CO2分析値と南極の平均温度との比較、温度のラインは(3)より

なお、日本においても下図で示すように屋久杉の年輪炭素同位体の測定結果から平均気温の変化が推量された(4)。この代替指標(proxies)によると、江戸時代の後期19世紀の初頭に温度の上昇があったことを示している。

fig-4
Fig.4 屋久杉の年輪炭素同位体から得られた平均気温の推移(4)

下図は、南極の大気のCO2の直接観測結果と氷床コアからのCO2濃度の推定値を一つのグラフに表したものである。氷床コアサンプルの比較的新しい表層フィルンのCO2濃度と大気の直接観測データが良く合っているから、氷床コアによって得られた深層のデータも過去の大気を良く再現しているという(5)。しかし、フィルンと古い圧縮された氷床コアとでは、CO2の溶解度と拡散の影響でCO2濃度がかなり異なる(2)。従って、深層の氷床コアデータが過去の大気を良く再現していると言う推論は拙速である。

fig-5
Fig.5 氷床コアサンプルから得られたCO2濃度の推定値と最近の南極点におけるCO2濃度の観測結果

Fig.5はCO2の直接の分析結果と代替指標の分析結果を合わせて表示している。本来は性質の異なるデータを一つのグラフに重ねて、同一の物理化学的性質であるかのように表すことは避けるべきである。上で示したCO2の“Hockey Stick”曲線Fig.1も、同様に大気中のCO2の直接分析と氷床中の代替指標の分析結果を重ね合わせたものである。以下この図の起源について文献(2)から引用する。

南極から採取された1890年に堆積した氷床は、深部ほど圧力変化は大きくない。このサンプルのCO2濃度は328 ppm(6, 7)であった。しかし、人為的温暖化仮説を証明するために必要な290 ppmより大きい値であった。 83 年後の1973 年に、ハワイのマウナロア火山の大気から直接採取された空気も、同じ 328 ppm の CO2 濃度だった(8)。つまり、工業化以前の CO2 レベルが 20 世紀後半と同じだったのである。

この「問題」を解決するために、研究者らは単にその場限りの仮定を立てた。1 ~ 10 グラムの氷から回収されるガスの年齢は、ガスが閉じ込められていた氷よりもちょうど 83 歳若いと恣意的にみなしたのである(9,10)。つまり異なる性質のデータが、下図で示すように83年ずらして重ね合わされた。 実際には1942年頃にCO2の400ppmを越えるピークがあったはずだが、重ね合わせたグラフを使って抹消された。

fig-6
Fig.6 代替指標としての氷床コアサンプルからのCO2分析結果と大気の直接分析によるCO2濃度の重ね合わせ(4)

以上、まとめるとCO2濃度は単調に変わってきたのではなく、非常に多くの過去の直接分析結果から、大きく変化してきたことがわかる。そして、1812-1961間、北半球におけるCO2の濃度は3つの高レベルを示している。高レベルのピークは、1825 年、1857 年、1942 年頃に観測された。現代のCO2濃度に匹敵する400 ppm 以上の値が観測されてもいる。気温の変化に伴って、CO2濃度も変化してきたのである。これは、前回まで述べてきたCO2濃度が温度により決まるということを裏付ける(→温暖化の科学の出発点 2)(→ 大気中のCO2 濃度は温度で決まる)。さらに氷床コアサンプルによるCO2濃度の代替指標は実際の濃度よりかなり低目に出ること、また経時変化に対しては非常に応答が鈍いことを示す。

  1. Beck, E.-G., Energy & Environment, pp. 1-17 2007
  2. Zbigniew Jaworowski, EIRScience March pp. 38-53 2007
  3. Schneider, D.P. et al. 2006 Geophysical Research Letters Vol.33、https://doi.org/10.1029/2006GL027057
  4. 石谷ら、鹿児島県環境保健センター所報、第16号(2015)資料49~54頁
  5. S. Aoki et al. 雪氷 vol. 64 365 2002  https://doi.org/10.5331/seppyo.64.365
  6. Friedli, H., Lotscher, H., Oeschger, H., Siegenthaler, U. and Stauffer, B., 1986. Nature, Vol.324, pp.237-238
  7. Neftel, A., Moor, E., Oeschger, H. and Stauffer, B., 1985. Nature, Vol. 315, pp. 45-47
  8. Boden, T.A., Kanciruk, P. and Farrel, M.P., 1990. ORNL/CDIAC-36, OakRidge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee
  9. Jaworowski, Z., 1994, Environmental Science & Pollution Research, Vol. 1, No. 3, pp 161-171
  10. Jaworowski, Z., Segalstad, T.V. and Hisdal, V., 1992, Second revised edition. Meddelelser 119, Norsk Polarinstitutt, Oslo, p. 76
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土壌呼吸とCO2

光合成でCO2から有機化合物が合成され、合成された有機化合物は最終的には分解してCO2へ戻る。この分解のプロセスは主に地下で進むために土壌呼吸(Rs: Soil Respiration)とも呼ばれる。土壌呼吸は、独立栄養プロセス(autotroph)と従属栄養プロセス(heterotroph)からなり、土壌から大気へ CO2 を排出する(1)。下図の緑の部分は光合成を示し、赤い部分が土壌呼吸である。主要な従属栄養プロセスは、微生物の生物学的プロセスで、地球上の最大の炭素サイクルプロセスである(2)。世界の土壌呼吸による1年あたりの CO2 排出速度は、約 70 GtC/yearと推定され、気温および降水量と正の相関がある(3)。因みにIPCCは60 GtC/yearと推定している(→温暖化の科学の出発点)

Rs = Rheterotroph + Rautotroph                                                                (1)
= eq-2                                                           (2)
= CO2排出速度(約 60~70 GtC/year )        (3)

fig-1
Fig.1 土壌呼吸プロセス(4)

従って、(2)、(3)式から乾燥地帯でなければ温度変化が律速となり、CO2の濃度変化速度は(4)式で表されることになる。この式はMurry Salby により提唱された。(→大気中のCO2 濃度は温度で決まる)

eq-4                      (4)

あるいは、

eq-5                     (5)

整理すると、温度が変化すると土壌呼吸の微生物プロセスが影響を受けCO2排出量が変わる。このプロセスは最大の炭素サイクルである。植物の分解は生物学的プロセスなので、温度が変化してもすぐ変化するわけでなくある時間のずれがある。前回整理したように、温度とCO2の相関は10~12ヶ月のずれとなる。さらに、オークリッジ国立研究所のデータベースに基づくと、従属栄養プロセスから発生するCO2分布量の推定値は下図のようになる(3)。

fig-2
Fig.2 従属栄養プロセスから発生するCO2量の推定値(3)

上の図は、下に掲げる森林面積の分布図と人工衛星からのCO2濃度の測定結果図と良く呼応している。これらの結果は、CO2の濃度が植物分布と分解のプロセスに大きく依存すること、温度が大きな因子であり熱帯雨林の地域がCO2の大きな発生源であることを示す。

fig-3
Fig.3 森林面積の分布図(5)

fig-4
Fig.4 人工衛星からのCO2濃度の分析結果(6)

CO2の濃度は季節に応じて変化する。自然界で発生および消費されるCO2は光合成と植物体の分解プロセスに関連する。下図で示すように、季節による濃度変化は南極で小さく、北に行くほど大きくなる。南半球は陸地面積が小さくかつ森林面積が小さい。一方、北半球は陸地面積が大きくかつ森林面積も大きい。さらに熱帯に比べると、一年の温度変化は緯度が高くなるほど大きくなる。従って、年間を通して植物体の分解量の変化が、北半球でしかも北に行くほど大きくなるものと考えられる。(→温暖化の科学の出発点3) (→温度上昇で増加するCO2はどこから)

fig-5
Fig.5 地球上の各地点におけるCO2濃度の変化 (7)

自然界には13Cが1.1% 存在し、光合成は12CO2を13CO2よりも多く取り込む。従って、植物が分解してCO2を放出すると大気中の12CO2の割合が増え13CO2の割合は減少することになる。下図の結果は、植物分解から放出されるCO2の大気中のCO2への寄与が大きいことを示している。

fig-6
Fig.6 CO2の変化と13C変化との関係(8)

2015~2017年は、エルニーニョの年であった。2015年は、2011年 に比べて、温度は0.25℃高く、2011年の人工衛星のモニタリングによる COの観測結果と比較して約 2.5 Gt の CO2 が熱帯地域から発生した(9)。この CO2 の上昇の主原因は高温における植物分解によるものと解釈できる。

fig-7
Fig.7 人工衛星の観測による2015年のエルニーニョの時のCO2発生量(9)

地球全体の土壌の炭素の蓄積は2,000 GtC と推定されている。これは、大気(615 GtC)、生物(730 GtC)の約3倍である(10)。土壌中の有機分解物は土壌の肥沃度に良い効果をもたらす(11)。たとえば、有機栽培により農作物を生産するためには、生物的性質が重要であり、土壌微生物を適切に保つ必要がある。生成するCO2は、有機分解物および土壌微生物の指標でもある。肥沃度の高い土壌は有機栽培にも優れている(12)。

IPCCが主張する“CO2が増加すると温度が上昇する”というのは証拠のない仮説である(温暖化の科学の出発点)。地球の温度が上がると土壌中の生物プロセスが活発になり有機物の分解がより進行する。そして排出するCO2が増加する。生物プロセスは微生物のプロセスで平行して土壌の肥沃度も増し環境にとっても良い。また観測されているように(Fig.9)、CO2の上昇と肥沃度の増加で地球の緑化が進行する(13)。植物の分解で排出されたCO2で温度がさらに上がるという正のフィードバック効果も証拠のない仮説である。現代のような温暖化、CO2の上昇は地球環境にとり望ましい。脱炭素の必要性は見出せないばかりか、かえって地球環境にとっても良いとは言えない。

fig-8
Fig.8 CO2が増加すると温度が上昇するというのは証拠のない仮説である

 fig-9

Fig.9 衛星観測は1982-2010年の間、地球の緑化が進行していることを示す(13)

  1. Global Gridded 1-km Soil and Soil Heterotrophic Respiration…
  2. The Effects of Global Climate Change on Soil Respiration…
  3. ORNL DAAC GLOBAL ANNUAL SOIL RESPIRATION DATA…
  4. https://www.diffen.com/difference/Autotroph_vs_Heterotroph
  5. https://www.shinrin-ringyou.com/forest_world/menseki_world.php
  6. https://disc.gsfc.nasa.gov/information/news?title=Satellite…
  7. https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/gl_trend.html
  8. https://gml.noaa.gov/outreach/isotopes/images/global_trends.jpg
  9. https://www.aaas.org/news/satellite-shows…
  10. https://ja.wikipedia.org/wiki/…
  11. https://ja.wikipedia.org/wiki/…
  12. SOFIX – 食と農のスロー&ローカル・イノベーション地域拠点…
  13. https://doi.org/10.1002/grl.50563
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時間のずれのある温度とCO2の相関関係

以前示したように(→温度とCO2 変化の時間差について)、温度とCO2はCO2 の変化が常に気温の変化に 11 ~ 12 ヶ月遅れて変化することが確認された。そこで時間のずれのある温度とCO2の相関関係について、その時引用した論文をもとにもう一度整理しておきたい。論文は以下である。

Ole Humlum, Kjell Stordahl, Jan-Erik Solheim Global and Planetary Change 51, 100, 2013

2変数X,Yに相関関係があるかどうかを調べるには次式で定義される相関係数が使われる。

eq-1(1)

ここでxyは平均値である。相関係数が1に近いほど相関関係が強く、-1に近いほど弱いことを示す。マイクロソフトのExcelには相関係数の計算式Correlが組み込まれている。詳細はCORREL function – Microsoft Supportを参照されたい。時間のずれのある2変数の相関関係の模式図は下図のように表される。Inputを温度OutputをCO2で置き換えて考えることができる。

fig-1
Fig.1 時間のずれのある2変数の相関関係(instrumentationtools.com)

論文では、1980 年 1 月から 2011 年 12 月までの期間の COと温度との位相関係を調べている。ここでは以下のデータ例を示す。

  • 全球的に平均化されたよく混合された海洋境界層 CO2
    Global monthly CO2 data (NOAA), USA
  • HadCRUT3 地表気温
    the University of East Anglia and the Hadley Centre, UK
  • HadSST2 海面表面温度
    the University of East Anglia and the Hadley Centre, UK

これらのデータをプロットしたのが以下であって、上は月々の値で、下は12ヶ月平均の差の変化をプロットした図である。

 fig-2a

fig-2b

Fig. 2. CO濃度(green)と地表(HadCRUT3; red)および海面表面(HadSST2; blue)の温度の変化。上図は月々の比較。下図は12か月平均の比較。

各時間のずれに対して繰り返し数値計算をしたのが下図である。海面表面温度とCO2の場合は11か月の時間のずれの時に相関係数が最大値になる。

fig-3
Fig.3 時間のずれのある海面表面温度とCO2の相関係数

マイクロソフトのExcelではVisual Basicのプログラミングで計算を行うことができる。コードを書くところは通常は見えなくなっている。従来のExcelではAlt+F11でコードの画面を開くことができた。最新のExcel2021では、設定変更により”Developer”というメニューを加えて、その下にある”Visual Basic”をクリックすることにより開くことができる。Worksheet上のデータを読み込んで相関係数を計算する例を下記に示す。ThisWorkbook上にコードを書き込んでいる。この場合には、数多くのデータを読み込んで非常に多くの繰り返し計算が必要なのでExcelのVisual Basicは便利なツールである。

fig-4
Fig.4 ExcelのVisual Basicによる相関係数の計算例  (VBA Coding)

計算するにはWorksheetのマクロの表示をクリックして行う。

fig- 5
Fig.5 Excelのマクロのダイアグラム

下図はあくまで計算値の結果を印字した例である。この場合は元のデータの相関係数が0.7476で、一年のずれを考慮した場合の相関係数が 0.9891である。

fig-6
Fig.6 計算結果の表示例

温暖化に対するCO2の影響を考察する場合には、時間のずれを注意深く解析した相関関係を考察する必要がある。CO2が数10 ppm増加したから温度が上昇したというような単純なものではない。なお、時間のずれのある二変数の相関係数の計算には市販のソフトの活用もできるはずである。

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蓄熱体としての大気

地球に入射する太陽エネルギーの30%は成層圏で反射する。20%は地表に達し入射光より波長の長い赤外線として反射する。15%が赤外活性物質に吸収され、5%はそのまま宇宙へ逃げて行く。大気中の赤外活性物質の大部分は水である。CO2はわずか400ppmに過ぎない。残り50%は大気に吸収されたり、大気の分子運動を変化させるのに使われる。多くは水の蒸発などの相変化、対流、熱伝導に消費され地球の温暖化に供しているが文献での明確な記述はない。

気温は大気の分子運動を表す物理量で、大気が獲得したエネルギーとして蓄熱する。従って、窒素、酸素は温室効果はないが、太陽エネルギーを地球の熱としてある一定時間保持する。H2O,CO2の温室効果ガスのみでは熱を蓄えることができない。窒素、酸素が必要なのである。以下このテーマを整理するために、大気に関する必要な物理化学の整理をしておく。簡潔にするために、必要な式は結果のみである。式の導き方はリンクしたウィキペディアなどでたどることができる。

1.運動エネルギー

地球温暖化について考えることは大気の温度を調べることである。それでは、大気の温度は何かというと、大気を構成するガス分子の運動エネルギーである。この場合の運動エネルギーは大気を構成するガス分子の併進エネルギーである。大気中のCO2による赤外線の吸収エネルギーは、気温を決める分子の併進エネルギーに比べるとはるかに小さい。気体の温度と運動エネルギーとの関係は、気体の状態方程式と分子運動論から次式のようになる。

kT= 3/2・mv2                                            (1)
(k=ボルツマン定数、T=温度、m=分子の質量、v=分子の速度)

2.ウィーンの変位則

黒体からの輻射のピークの波長が温度に反比例するという法則である。

eq-2(b = 2.8977729×10^−3 K·m)                (2)

fig-1
Fig.1

CO2は15µmの赤外線を吸収する。これは(2)式から-80℃の温度に相当する

3.ステファン・ボルツマンの法則

熱輻射により黒体から放出される電磁波のエネルギーと温度の関係を表した物理法則である。

j* = σT4                     (3)

4.太陽定数

太陽定数Gscとは、地球の大気表面の単位面積に垂直に入射する太陽のエネルギー量のことである。太陽定数は、下図で示すように周期的に変化することがわかっている。

eq-4(4)
R = 太陽の半径 (6.96 x 10^8 m)
D = 太陽と地球の平均の距離 (1.5 x 10^11 m)

fig-2
Fig.2.衛星観測された1979年から2005年にかけての太陽定数の周期変化

5.反射能(アルベド-albedo)

天体の外部からの入射光に対する、反射光の比である。入射光の総量に対する反射光の総量の割合である。通常は電磁波の波長も問わず、全帯域についてスペクトル密度を積分する。そのため、入射エネルギーに対する反射エネルギーの割合とも言える。地球の場合は0.3である。

アルベドが0.3ということは、入射光の30%が地球の外側で反射される。70%の透過光のうち20%が紫外線、可視光で、残り50%が赤外線である。エネルギーは紫外線、可視光が赤外線より大きい。

赤外線のうち15µmの波長の領域がCO2により吸収される。大気と地表面で吸収される太陽光の70%が大気を直接、間接的に暖めている15µmの赤外線が400ppmCO2に吸収されて、温室効果に主に寄与するというのは誤りである

6.地球表面の温度

ステファン・ボルツマンの法則から単位面積あたり次式が成り立つ。地球の位置での太陽定数は地球全体に平均すると、その1/4となる。

¼・(1-α)Gsc = σT4                                   (5)

(αはアルベドで0.3)

従って

eq-6-2(6)

= 255K (-18℃)

地球の表面温度は、この計算値より33℃高い。

7.気温減率(laps rate)

高度が上がるに従って大気の気温が下がっていく割合をいう。重力によって支えられている球形の気体であれば、どのようなものにでも適用できる。気体の状態方程式と、気体分子に対する重力によるポテンシャル変化から関係式が導かれる。対流圏(下図の11kmまでの一番下の層)ではある高さzでの温度Tは次式となる。

eq-7    (7)

(z=高さ、g=重力加速度、Cp=定圧比熱)

fig-3
Fig.3

大気の下層ほど圧力が高く、分子数が多い。気温減率は、定性的には温度は分子の運動エネルギーで決められ、分子数の多いほど全運動エネルギーが大きく、温度も高いというふうに解釈できる

まとめると、

  1. 大気の温度とは大気ガスの運動エネルギーである。
  2. 大気ガスの運動エネルギーは、地球の重力、大気圧のために対流圏では均一に分布しない。
  3. 運動エネルギーは入射する太陽エネルギーで決まる。
  4. 地表面で最も運動エネルギーが大きく温度が高い。高所ほど温度は下がっていく。
  5. 高さと温度の関係は、気温減率(laps rate)の関係式で整理できる。
  6. 気温減率(laps rate)はCO2の赤外吸収、放散とは全く無関係である。

大気ガスの運動エネルギーとは、言うまでもなくN2とO2の運動エネルギーである。N2とO2こそが地球を33℃暖めている蓄熱体あるいは温室効果ガスとも言える。

THE HOCKEY SCHTICK”というブログではThe Greenhouse Equationという式を提案している。これは気温減率(laps rate)の関係式を変形したものである。

eq-8(8)

T = temperature at height (m)
s = height (m)
S = solar constant (= 1367 W/m2)
ε = emissivity (= 1 assuming Sun and Earth are blackbodies)
σ = Stefan-Boltzmann constant (= 5.6704 x 10-8 W m-2 K-4)
g = gravitational acceleration (= 9.8 m/s^2)
m = average molar mass of the atmosphere (= 0.029kg/mole)
α = albedo (= 0.3 for earth)
C = heat capacity of the atmosphere (= Cp ~ 1.5077 for Earth)
P = surface pressure
R = gas constant (= 8.3145 J/mol K)
e = 2.71828

この式によると対流圏の任意の高さの温度を計算できる。対流圏の半分の高さがステファン・ボルツマンの法則で計算した-18℃または255Kであり、地面が+15℃または288Kである。

The Greenhouse Equationは見かけは複雑だが、中味は比較的簡単である。ステファン・ボルツマンの法則から温度は(5)式で計算できる(εはemissivityで1と見なしてよい)。

ここで、基本的な熱力学の関係式を思い出す。

mgΔh = RTln(P)                                       (9)

対流圏の温度は高さの一次式で表されるLapse Rate の関係式に上記の式を使う。

T = To – g/C x h                                      (7)

ここで、ステファン・ボルツマンの法則から求められる温度を、対流圏の真ん中の高さに相当するものとする。

T = Te – g/C x (s + Δh)                              (10)

そうすると次式が得られる。

eq-8(8)

Lapse Rate の詳細な計算例は、“THE HOCKEY SCHTICK”のブログで示されている。重要なことは、Lapse RateがCO2の赤外吸収、放射とは全く無関係であること、入射する太陽エネルギーと地球の重力下におけるN2とO2の運動エネルギーで決まるということである。

対流圏の高さで気温が決まり、その関係式がわかっているので、対流圏の全熱容量が計算できることになる。全熱容量が時間とともに大きくなっていれば、対流圏は温暖化していることになる。The Greenhouse Equationで決まるある高さhでの温度をT(h)とする。全熱量量Jallは、大気の高さと組成の平均比熱をCav、単位体積の大気の平均質量をMav、地球の全表面積をSallとすれば、

eq-11               (11)

である。

比熱と質量は厳密には圧力と温度で変わるので複雑である。CavとMavは大気の組成の変化で変わるが、CO2は400ppmなので数ppmの変化は無視しても良い。水は1~2%だが、相変化があるのでその影響は小さくないはずである。要するにLapse Rateが(eq.8)で近似できるという前提に立てば、CO2の15µmによる温室効果は非常に小さいことになる。

Lapse Rateを使った温室効果については、最近ネットではgravito-thermal effectと言われている。このキィーワードで検索するといくつかヒットする。

fig-4
Fig.4

前にも示したように、気温は大気の運動エネルギーで決まるのであり、CO2の運動エネルギーは問題にならないぐらい小さい。入射する太陽エネルギーと大気圧の変化に依存するLapse Rateで決まるとも言える。

エネルギー関連の文献を眺めていると、蓄熱材に関する特許を少なからず見かける。主なものは、物質の相変化、水和物と無水物との変換を利用したものである。蓄熱材は省エネルギーの技術開発の鍵である。

我々が注目している大気も、蓄熱材と考えられ、気温を暖かくして地球上の動植物を繁殖させてくれる。大気中のCO2が吸収する赤外線は15µmであって、太陽エネルギーのうちでははるかにエネルギーは小さく強度も弱い。大気こそが、運動エネルギーという形態でエネルギーを蓄熱し、地球表面を保温しているのである。

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青森県六ケ所村

青森県の下北半島の付け根に六ヶ所村がある。先月(5/23/2023)、六ヶ所村にある原燃PRセンターを訪れた。比較的大きな村だがアクセスは不便である。青森県内の旧東北本線は第三セクターの青い森鉄道へ移管されている。そのため東北新幹線で八戸に降り立ち青い森鉄道に乗り換える必要がある。さらに野辺地で降りて一日数本しかないバスで一時間半かけて行った。野辺地市内で数人バスに乗ったがしばらくして降りたので、かなりの間私ひとりであった。

fig-1
Fig.1 六ケ所村の原燃PRセンター周辺、エネルギー関連の施設が軒を並べる

やがて公園、体育館、郷土館の集まったところに降り立った。その公園の前に原燃PRセンターがある。

fig-2
Fig.2 六ヶ所村の公園コンプレックス、後ろに風力発電の施設が見える

六ヶ所村には、原子力発電所からの放射性廃棄物と使用済み燃料を処理することを目的に設立された電力各社が株主の日本原燃(株)がある。従業員は3,000人なので村としては非常に大きな組織である。この立派な公園を見ていると法人税、助成金で整備されているのだろうなと思う。原燃PRセンターは、原燃が扱う放射性物質処理の衆知を目的にしているようである。誰でも自由にアクセスできるが、予約しておくと一人でもガイドをつけてくれる。私に説明してくれたガイド嬢は、遠く三沢から一時間かけて通勤しているということだった。

原燃PRセンターの回りはさえぎるものがないので、中央にある窓から景色を良く見ることができる。南西地区には石油備蓄センターがあり海岸部からパイプラインで運ばれるようになっている。あちこちにソーラーパネル、風力発電の建造物がある。バスからも多くを見ることができる。

fig-3
Fig.3 原燃PRセンター

原燃PRセンターでは、二点焦点をあてて紹介されている。ひとつは、高レベル放射性廃棄物貯蔵施設で、再処理工場でガラス固化体にされた高レベル放射性廃棄物を、最終処分に向けて30〜50年間冷却・貯蔵する施設である。つぎに、MOX燃料(混合酸化物燃料の略称)の製造で、原子炉の使用済み核燃料に含まれるプルトニウム再処理により取り出し、二酸化プルトニウム(PuO2)と二酸化ウラン(UO2)とを混ぜてプルトニウム濃度を4-9%に高めた核燃料である。主として高速増殖炉の燃料に用いられるが、既存の軽水炉燃料ペレットと同一の形状に加工し、適切な核設計を行ったうえで適切な位置に配置することにより、軽水炉のウラン燃料の代替として用いることができる。これをプルサーマル(和製英語で国際的には通用しない)利用と呼ぶ (Wikipedia)。

ガイドの説明を聞いていると、あたかも全てが確立されたプロセスのように聞こえるが実際は違う。原燃の再処理工場は、様々なトラブルや安全審査の遅れなどで、完成予定が何度も延期されている。当初は1997年の完成予定だったのが、現在は2024年度上期となっている。総事業費も14兆4400億円に膨らんでいる。安全性や経済性には多くの課題があるのか、2000年以降プルサーマルを実施したのは伊方発電所3号機や玄海発電所3号機など4基のみとなっている。

一方、高速増殖炉の「もんじゅ」は1983年に建設が始まった。1995年、2010年に事故が起きて本格運転をすることもなく2016年に廃炉が決まっている。福島第一発電所の事故で原子力利用は可能な限り最小限にするはずであったが、ウクライナのロシアによる侵攻でエネルギー価格が上昇したこと、CO2排出量の削減の取り組みなどで、いつのまにか風向きが変わっている。再び原子力利用の声がかかり始めている。しかし、以上述べたように使用済み核燃料の廃棄処理、再利用のプロセスは確立されていないのである。

fig-4
Fig.4 原燃PRセンターの地下にある模擬装置

青森県六ヶ所村には富ノ沢遺跡や大石平遺跡など、100ヶ所以上の縄文遺跡群がある。遺跡群地図で一部を確認できるがその数には驚くばかりである。そのうち、富ノ沢遺跡は、約500軒から成る県内でも最大級の集落跡で、青森市の三内丸山遺跡と同時期の4700年前から4000年前にかけて存在したと考えられている。縄文時代前期は現代より暖かく、縄文海進で遺跡群の近くに太平洋の浜辺があったようである。村立郷土館によると、村内の遺跡の大半は1970年代の「むつ小川原開発」に伴う発掘調査で見つかった。しかし、核燃料関連施設や道路整備が優先されて遺跡は調査後に取り壊されたので、ほとんど残っていない。それで、世界遺産の構成対象にはなっていない。

fig-5-1
fig-5-2
Fig.5 六ケ所村郷土館

以上、わざわざ六ケ所村を取り上げたのは、六ケ所村周辺が温暖化の問題に間接的に関係しているからである。CO2を排出しないための原子力エネルギーの利用は、再生処理設備が完成し、定常な運転が確立されない限り将来に悔恨を残すことになる。縄文時代は現代の温暖期よりもさらに暖かだった。皮肉にも六ケ所村には多くの遺跡が見つかっているが、多くが現代の土地開発の過程で保存されず壊されてしまったのである。

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