温度上昇で増加するCO2はどこから

前回の Murry Salby の講演で紹介したように、大気温度とCO₂は相関していて、温度が上昇するとCO₂濃度も上がる(thermally-induced CO₂)。この増加するCO₂の主要な発生源は何だろうかというのが今回のテーマである。主にSalbyの講演とNOAA (アメリカ海洋大気庁)のサイトからのデータをもとに整理する。

炭素の同位体¹³C は安定で自然界に1.1% 存在する。一般に、次式で定義するδ¹³C を用いて¹³Cを含む化合物の割合を占めす。¹³C の存在量が小さければδ¹³Cの値も小さくなる。

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地球上のCO₂を追跡する場合¹³Cは良いトレーサーになる。光合成のプロセスでは植物は¹³CO₂ よりも¹²CO₂ を多く取り込む傾向がある。従って、植物や石炭などの化石燃料はδ¹³Cの値が平均値よりも小さい。化石燃料を燃やすと¹²CO₂ がより多く放出されて大気中の¹³CO₂　が希釈されることになる。従って、大気中のδ¹³Cの値は小さくなるはずである。

下図のNOAAのデータで示すように大気中のδ¹³Cの値はCO₂の濃度が増すにつれて減少している。一年の短期間においてもδ¹³Cの値は、CO₂の濃度変化とは逆の変化になる。

Fig.1 δ¹³Cの値とCO₂の濃度の変化

話しを進める前にCO₂バランスを見ておく必要がある。IPCCの報告によるとそのバランスは概略下図のようになる。年間、炭素基準で約60 GtのCO₂が光合成で消費され、同量が植物の分解で放出される。ほぼ同量の約60 Gtの CO₂が植物呼吸にかかわるがここでは省略されている。約90 Gtの CO₂が海水による吸収、放出のプロセスにかかわる。化石燃料の燃焼によるCO₂の放出は150 Gtのうちわずか5 Gt(約3%)である。

Fig. 2 CO₂バランス(Salby の講演スライドから)

またCO₂サイクルにおけるδ¹³Cの変化は下図のように推定されている。海から放出されるCO₂のδ¹³Cは大気中のδ¹³Cとほぼ同等である。化石燃料の燃焼から排出されるCO₂と植物の分解から放出されるCO₂のδ¹³Cはおよそ同レベルである。大気中のδ¹³Cの値はCO₂の濃度が増すにつれて減少する。従って、上記のCO₂バランスを考慮すると、化石燃料の燃焼よりも植物の分解による¹²CO₂により¹³CO₂ が希釈されδ¹³Cが減少する効果がはるかに大きいものと考えられる。

Fig. 3 各プロセスにおけるδ¹³C の推測値

北極に近いアラスカと南極の観測所におけるCO₂とδ¹³Cの観測データを下図に示す。北極では南極よりもこれらの変化が大きい(スケールの違いに注意)。南極では植物が皆無なので植物の分解により発生するCO₂がないためと解釈される。

Fig. 4アラスカバーロー観測所におけるCO₂とδ¹³Cの観測データ

Fig. 5南極の観測所におけるCO₂とδ¹³Cの観測データ

最近では最も強いエルニーニョが2015年に発生した。この影響は、下図の人工衛星による温度変化のグラフで見ることができる。

Fig. 6 人工衛星による温度の測定値

人工衛星のモニタリングによる CO₂ の観測結果と比較すると 2011年 に比べて、炭素換算で約 2.5 Gt の CO2 が熱帯地域から発生した。以上まとめると、温度が上昇すると CO₂ 濃度が上がる (thermally-induced CO₂)。この CO2 の上昇は主に高温における植物分解によるものと解釈できる。

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