大気中のCO2の放出、吸収の速度論

Salbyの講演を辿りながら現在と将来の CO₂の変化を整理していく。なお、大気科学ではモル比(およその濃度を表す)の代わりに次式で定義される mixing ratio が使われる。

(1)

彼の講演においても CO₂の濃度の代わりに mixing ratio という用語および r が使用されている。

CO₂の収支は放出と吸収のバランスで決まる。下に示す IPCC の炭素バランスから人為起源の CO₂ (anthropogenic CO₂) は 5 GtC/yr、そして自然界で放出、吸収される CO2 は 150 GtC/yr である。これらの収支で決まる量がCO₂の増減速度である。

Fig.1 CO₂バランス(Salby の講演スライドから)

従って、

(2)
Fig.2　CO₂サイクルにより決まる炭素バランス(講演スライドより)

人為的 CO₂(Source_Human) の放出は自然放出の CO₂(ΣSources) より小さいので無視できる。さらに、今まで整理してきたように自然放出の CO₂は温度で決まる (thermally-induced CO2) ので E(T) と表す。吸収プロセスは CO₂の濃度に依存するので A(r) と表す。テイラー展開の第一項で近似すると (3) 式のようになる。吸収プロセスは CO₂濃度の一次速度式で、定数 α は、CO₂の大気中での滞留時間 τ (α = 1/τ) と関係づけられる。

Fig.3 CO₂ 濃度の上昇速度(講演スライドより)

(3)

CO₂の滞留時間 τ は上記の IPCC の炭素バランスからおよそ

τ = (CO₂ hold up in air) / (net absorption rate of CO₂)
= 750 GtC・y^-1 / 150 GtC・y^-1
= 5 years (4)

となる。あるいは相互相関関数からも決められ 5 年である。

¹⁴C は 5000 年以上の半減期を持つ放射性炭素である。大気圏上層で、宇宙線の二次中性子と窒素の反応によって生成され、地球圏の炭素サイクルにわずかに組み込まれる。生成された ¹⁴C は大気中で酸素原子と反応し、¹⁴CO₂を生成する。¹⁴CO₂は放射性炭素年代測定でも利用される。

東京オリンピックのちょうど１年前の 1963 年 10 月 10 日に部分的核実験禁止条約 (NTBT: Nuclear Test Ban Treaty) が発効した。地下を除く大気圏内、宇宙空間および水中における核爆発を伴う実験が禁止された。それまで、核実験の影響で人工の ¹⁴CO₂が大気中に放出されていたが、この条約以降それが止まった。1963 年に存在度がピークだった ¹⁴CO₂は、以後自然界に吸収されていく。この吸収プロセスを解析して CO₂の滞留時間 τ が正確に求められる。結果は下図のように指数関数に沿って ¹⁴CO₂が減っていき、滞留時間τは 8.6 年と求められた。

Fig.4 大気中の ¹⁴CO₂の減少変化(講演スライドより)

人為的な CO₂の放出と吸収のプロセスについても上記の全プロセスと同様に考えられる。2002 年以前は、人為的な放出速度の変化は小さいので放出量を一定の E_A0とみなすと、その期間の CO₂ の濃度 r_A は E_A0/α で表される。従って

r_A = E_A0/α = 3.5/(1/8.6) ≒ 30 (5)

である。(下図を参照)

Fig.5 人為的 CO₂の濃度変化(講演スライドより)

Fig.6人為的 CO₂の濃度変化の解析(講演スライドより)

2002 年以降、人為的な CO₂ 放出量は増えて行き、過渡的な吸収プロセスの後、平衡状態になる。CO₂の滞留時間が 8.6 年なので、放出プロセスだけの場合に比べて8.6年遅れて同じ過程を辿る。これはたとえば、化石燃料の燃焼による人為的な排出量が変わっても、CO₂濃度はすぐには応答せず約 10 年遅れて変化することを意味する。

上図を 2007 年での CO₂バランスで例示すると下図で示すようになる。緑の点が全 CO₂濃度、青の点が自然界の CO₂濃度、実線が熱で放出した CO₂であり、グレーはその誤差範囲である。人為的な CO₂の割合は 28% である。

Fig.7人為的 CO₂と自然サイクルの CO₂濃度割合(講演スライドより)