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| ミランコヴィッチメニューへ戻る 大気中の二酸化炭素 （ロシア語 Wikipeida） Углекислый газ в атмосфере Земли 概要 地球の大気中の二酸化炭素（CO2、または二酸化炭素）は、現代の地球の大気中の濃度がわずかな成分です。乾燥空気中の二酸化炭素の濃度は0.02〜0.045volです。 ％（250-450ppm）。二酸化炭素は、窒素と水蒸気とともに若い地球の大気の基礎を形成しました。二酸化炭素の割合は、海の始まりと生命の始まり以来減少しています。大気中の遊離酸素はわずか20億年前に出現しました。 19世紀半ば以降、大気中のこのガスの量は着実に増加しており、2015年11月以降、その月平均濃度は一貫して400ppmを超えています[1]。 はじめに 生物圏の生活における二酸化炭素の役割は、主に植物によって行われる光合成の維持にあります。温室効果ガスである空気中の二酸化炭素は、惑星と周囲の空間との間の熱交換に影響を及ぼし、さまざまな周波数で再放出される熱を効果的に遮断し、惑星の気候の形成に関与します[2]。 人類による化石エネルギー運搬船の燃料としての積極的な利用に関連して、大気中のこのガスの濃度は急速に増加しています。さらに、国連IPCCによると、人為的CO2排出量の最大20％は森林伐採の結果です[3] [4]。 19世紀半ば以降、二酸化炭素濃度に対する人為的影響が初めて注目されました。それ以来、その成長率は増加し、2010年代には2〜3 ppm /年[5]または0.5〜0.7％/年の割合で発生しました。別の研究によると、大気中のCO2の現在のレベルは、過去80万年間で最も高く、おそらく過去14 [6]または2,000万年間[7] [8]である。  過去40万年間のCO2濃度の推移（上段は過去1000年間のCO2濃度）（ppm 温室効果における役割 地球の大気中の温室効果の主な原因は水蒸気です[9]。大気中に温室効果ガスがなく、太陽定数が1368 W / m2の場合、平均表面温度は-19.5°Cになります。実際には、地表の平均温度は+ 14°Cです。つまり、温室効果により34°Cの上昇につながります[10]。 CO2は、空気中の濃度が比較的低い場合、4.26μm（分子の非対称伸縮による振動モード）や14.99μm（屈曲）などのさまざまな波長の赤外線を吸収して再放出するため、地球の大気の重要な構成要素です。分子の振動）。このプロセスは、これらの波長での地球の宇宙への放射を排除または低減し、温室効果をもたらします[2]。 二酸化炭素の赤外線特性に加えて、それが空気より重いという事実は重要です。空気の平均相対モル質量は28.98g / mol、CO2のモル質量は44.01 g / molであるため、二酸化炭素の比率が増加すると、空気の密度が増加し、それに応じて高度に応じて圧力プロファイルが変化します。 温室効果の物理的性質により、大気の特性のこのような変化は、表面の平均温度の上昇につながります[11]。大気中のこのガスの割合が増加すると、モル質量が大きくなると密度と圧力が増加するため、同じ温度でCO2濃度が増加すると、空気の水分容量が増加し、大気中の水分量が多いことによる温室効果が強化されます[12]。 [13] [14]。 水のモル質量が小さいため（18 g / mol）、同じレベルの相対湿度を達成するために空気中の水の割合を増やすと、空気の密度が低下し、大気中の二酸化炭素レベルの増加によって引き起こされる密度の増加を補います。 上記の要因の組み合わせにより、一般に、産業革命前のレベルである280ppmから現在の392ppm（2020年10月には、年間平均ですでに415 ppm [15]）への濃度の増加は、惑星の表面1平方メートルあたり1.8Wの追加放出に相当するという事実につながります[ 16]。 他のガスと比較した二酸化炭素の温室特性の際立った特徴は、気候への長期的な影響であり、それを引き起こした排出の停止後、1000年までほぼ一定のままです。メタンや一酸化窒素などの他の温室効果ガスは、大気中に非常に長い間遊離したままではありません[17] [18] [19]。 冷却における役割 地球温暖化の理論は、二酸化炭素の含有量がかつて何倍も高かったという事実を説明することはできませんが（特に酸素が現れる前に）、生命が生まれて繁栄し、金星のシナリオは実現しませんでした。これは否定的なフィードバックを示唆しています。太陽放射を反射し、二酸化炭素の含有量が現在よりもさらに高いときに現れる雲は、そのような「冷却」効果として機能することができます。したがって、温暖化と冷却の両方の現象は、地球上の生命条件の安定化メカニズムです。 [20] 二酸化炭素の発生源 大気中の二酸化炭素の自然発生源には、火山噴火、空気中の有機物の燃焼、野生生物（好気性生物）の呼吸などがあります。また、二酸化炭素は、発酵プロセス、細胞呼吸、および空気中の有機残留物の崩壊のプロセスの結果として、いくつかの微生物によって生成されます。大気中への人為的なCO2排出源には、発熱、発電、人や物の輸送のための化石および非化石エネルギー源の燃焼が含まれます。セメントの製造や関連する石油ガスをフレアで燃焼させることによる利用など、一部の産業活動は重大なCO2排出につながります。 植物は、光合成中に得られた二酸化炭素を炭水化物に変換します。これは、太陽エネルギーを使用する顔料クロロフィルによって実行されます。得られたガスである酸素は、地球の大気中に放出され、異栄養生物や他の植物による呼吸に使用され、炭素サイクルを形成します。 天然資源 主な記事：地球化学的炭素サイクル ロシア連邦の98年目によるCO2排出源のほとんどは自然です。枯れ木や草などの有機物の分解により、年間2,200億トンの二酸化炭素が放出され、地球の海洋は3,300億トンを放出します[16]。自然の原因から発生するものを含め、大気中の燃焼プロセスそのものに起因する火災、および森林の焼失の場合は森林伐採に起因する火災は、人為的排出に匹敵する排出につながります。 たとえば、1997年のインドネシアの森林と泥炭の火災（英語）ロシア語。化石燃料の燃焼に起因する平均年間CO2排出量の13〜40％が割り当てられました[21] [22]。若い地球の時代には、火山活動が二酸化炭素の主な発生源でした。現代の地質学的時代では、火山の排出量は年間約1億3000万〜2億3000万トンであり、人為的発生の1％未満です[23] [24]。 通常、これらの自然源は、大気から二酸化炭素を除去する物理的および生物学的プロセスと平衡状態にあります。CO2の一部は海水に溶解し、一部は光合成中に空気から除去されます。通常、このプロセス中に年間5.5・1011トンの二酸化炭素が吸収され、地球の大気中の総質量は3.03・1012トンであるため、平均して、すべての大気中のCO2が6年に1回炭素サイクルに関与します[16 ]。 人為的排出物の存在により、生物圏によるCO2の吸収は、2000年代半ばに放出を約170億トン超え、その吸収率は大気中濃度の増加とともに着実に増加する傾向があります[16] [25]。 人為的排出 19世紀半ばの産業革命の始まりとともに、大気中への二酸化炭素の人為的排出が漸進的に増加し、それが炭素サイクルの不均衡とCO2濃度の増加につながったと考えられています。現在、人類が生産する二酸化炭素の約57％は、植物や海洋によって大気から除去されています[26]。放出された総CO2に対する大気中のCO2量の増加の比率は、約45％の一定値であり、短期間の変動と5年間の変動があります[25]。 人為的なCO2排出の主な原因は、石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料の燃焼です。森林破壊は2番目の主要な原因です。 2008年には、化石燃料の燃焼により86.7億トンの炭素（318億トンのCO2）が大気中に放出され、1990年の年間炭素排出量は61.4億トンでした[27]。土地利用のための森林伐採は大気中の二酸化炭素の増加をもたらし、2008年に12億トンの石炭を燃やすことに相当します（1990年には16億4000万トン）[27]。 18年間の累積増加は、年間の自然CO2サイクルの3％であり、システムのバランスを崩し、CO2の成長を加速するのに十分です[28]。その結果、二酸化炭素は徐々に大気中に蓄積し、2009年にはその濃度が産業革命前の値を39％上回りました[29]。 したがって、（2011年の時点で）CO2の総人為的排出量はその自然の年間サイクルの8％を超えないという事実にもかかわらず、人為的排出量のレベルだけでなく、時間の経過とともに排出量のレベルが絶えず増加するため、濃度の増加が観察されます。 温度変化と炭素サイクル 大気中のCO2含有量を増加させる他の要因には、20世紀の平均気温の上昇が含まれます。 これは、有機残留物の崩壊の加速と、海洋の温暖化により、水に溶解する二酸化炭素の総量の減少に反映されているはずです。温度の上昇は、とりわけ、この期間中および19世紀の非常に高い太陽活動のために発生しました（たとえば、1859年のキャリントンイベントを参照）[30]。 過去100万年にわたる寒冷気候から温暖気候への移行中、大気中のCO2濃度の自然変化は100 ppm以内にとどまりました。つまり、その含有量の合計増加は40％を超えませんでした[31]。この場合、例えば、紀元前9000年から5000年の気候最適期間中の惑星の平均温度。 e。は現代のものよりも約1〜2°C高く、温暖な気候での温室効果がより顕著であるため、北極圏の緯度での年間平均温度異常は9°Cに達しました[32]。 火山活動の影響  インドネシアの火災による煙とオゾン汚染の疑似カラー画像、1997年。  ロシアの2010年の夏の火災、宇宙からの眺め。 現代の火山活動は、平均して年間2・108トンのCO2の放出をもたらし、これは人為的排出量の1％未満です[23]。このタイプの放出と人為的放出の主な違いは、化石エネルギー担体が空気中で燃焼すると、酸素分子が二酸化炭素分子に置き換わるということです。つまり、大気の質量の総増加は燃焼した炭素の質量に対応しますが、火山噴火の間、大気の質量は放出されたガスの質量。 二酸化炭素は、火山から放出される（水蒸気に次いで）2番目に大きいガスです。水中の火山から放出されるガスのほとんどは水に溶解します[33]。放出された二酸化炭素の同位体組成は、化石エネルギー担体の燃焼から得られた大気中のCO2の同位体組成にほぼ対応しているため、火山性CO2放出量を正確に決定することは困難です[33]。 大規模な火山噴火は、大気中への二酸化炭素の大量の排出につながる可能性がありますが、そのような噴火はまれであり（1世紀に数回のイベント）、平均して、大気へのこのガスの排出レベルに大きな影響を与えません。 たとえば、1783年のラッキー火山の噴火は約9千万トンのCO2を放出し、1815年のタンボラの噴火は約4800万トンを放出しました[33]。別の研究では、上記の噴火（ラッキー1783 g、約6.5・108 t）中に二酸化炭素の放出がわずかに多いことが示されていますが、このようなイベントの相対的な希少性により、この場合も二酸化炭素含有量への影響はわずかです[33]。  1991年のピナトゥボ山の噴火。 カテゴリVEI6の最後の噴火は、1991年のピナトゥボ山の噴火でした。大気中の二酸化炭素含有量に対するその主な影響は、成層圏へのエアロゾルの放出であり、その結果、反温室効果による惑星の平均温度の0.5°Cの低下による炭素サイクルの不均衡にありました。この期間中のキーリングのプロットの季節変動の振幅の増加は、1990年代初頭の植物による光合成の実施のための条件のいくらかの改善を示しています。後者は、成層圏エアロゾルの粒子に対する太陽放射散乱の影響によって説明され、植生による大気CO2の消費の増加につながりました[34]。 大気中の二酸化炭素の現在の濃度 主な記事：キーリングのチャート  50年間のCO2濃度の変化。 現代では、二酸化炭素の濃度は増加し続けており、2009年の地球の大気中のCO2の平均濃度は0.0387％または387 ppmであり、2016年9月には400ppmを超えました[35] [36]。 年間2〜3 ppm /年の増加に加えて[5]、北半球の成長期の発達に続いて、年間を通じて3〜9ppmの振幅で濃度の周期的な変化が観察されます。すべての主要な大陸が惑星の北部に位置しているため、北半球の植生の影響が年間のCO2サイクルを支配します。このレベルは、光合成を実行するバイオマスの量が最大になる5月に最大になり、10月に最小になります[37]。 2016年の春、オーストラリアの科学者たちは、タスマニア島周辺の大気中の二酸化炭素濃度が400ppmに達したことを発見しました[38]。 2017年、世界気象庁は、地球の大気中の二酸化炭素濃度が過去80万年で最高レベルの403.3ppmに達したと報告しました[39]。 2018年4月、マウナロア気象観測所によると、平均CO2濃度は410.26 ppm（または空気中の二酸化炭素の0.041026％）に達しました[40]。 2018年4月の時点で、このような月平均は人類文明の歴史の中で初めて観察されました[41]。 2019年5月11日、大気中のCO2濃度について新しい記録が記録されました：415.28 ppm（または空気中の二酸化炭素の0.041528％）[42] [43]。 2020年5月、マウナロア気象観測所によると、平均CO2濃度は417.1ppmの別の記録値に達しました[44]。 過去の集中力の変化 直接測定を開始する前の期間の大気中の二酸化炭素の濃度を測定する最も信頼できる方法は、南極大陸とグリーンランドの大陸氷河から氷のコアに閉じ込められた気泡中の二酸化炭素の量を決定することです。 この目的で最も広く使用されているのは南極コアであり、19世紀半ばの産業革命が始まるまで、そしてそれ以前の1万年間、大気中のCO2レベルは260〜284ppmの範囲にとどまりました[45]。 化石の葉に基づくいくつかの研究は、この期間中のCO2レベルのはるかに重要な変化（〜300 ppm）を示していますが、これらは批判されています[46] [47]。また、グリーンランドで採取されたコアは、南極大陸で得られた結果と比較して、二酸化炭素濃度の変化の程度が大きいことを示しています。しかし、グリーンランドのコア研究者は、ここでのより大きな変動は、炭酸カルシウムの局所的な堆積物によるものであると示唆しています[48]。グリーンランドの氷サンプルのダストレベルが低い場合、完新世のCO2レベルのデータは南極大陸のデータとよく一致しています。 氷のコア研究に基づくCO2測定の最長期間は、氷河期が80万年に達する東南極大陸で可能であり、二酸化炭素の濃度は氷河期の間に180〜210 ppmの範囲で変化し、280〜300に増加したことを示しています。暖かい時期のppm [7] [31] [49]。 より長い時間間隔では、大気中のCO2含有量は、調査期間中の堆積岩中の有機物の量の決定、ケイ酸塩岩の風化および火山活動を含む、地球化学的プロセスのバランスの決定に基づいて決定されます。数千万年以上にわたって、炭素サイクルに不均衡が生じた場合、その後CO2濃度が低下しました。これらのプロセスの速度は非常に遅いため、二酸化炭素の排出とその後の数百年にわたるそのレベルの変化との関係を確立することは困難な作業です。 過去の二酸化炭素濃度の研究には、さまざまな間接（英語）ロシア語も使用されています。デートの方法。これらには、いくつかのタイプの海洋堆積岩の炭素同位体に対するホウ素の比率、および化石植物の葉の気孔の数の決定が含まれます。 これらの測定値はアイスコアデータよりも精度が低くなりますが、過去には非常に高いCO2濃度が可能であり、1億5,000万〜2億年前、4億〜6億年前の3,000 ppm（0.3％）でした。 -6,000 ppm（0.6％）[8]。  鮮生代（最後の541 Ma、現在の右）の大気中の二酸化炭素濃度の変化。過去550Maの間のほとんどの期間、CO2レベルは現在よりも大幅に高くなっていました。 大気中のCO2レベルの低下は、ペルミアンの初めに止まりましたが、約6000万年前から続いていました。 EoceneとOligoceneの境界（3400万年前-現代の南極の氷床の形成の始まり）では、CO2の量は760ppmでした[50]。地球化学的データによると、大気中の二酸化炭素のレベルは、2000万年前に産業革命前のレベルに達し、300ppmであることがわかりました。 海中濃度との関係  水域と空気中の二酸化炭素の交換 地球の海では、二酸化炭素は大気中の100倍であり、炭素換算で36・1012トンです。水に溶解したCO2は、重炭酸イオンと炭酸イオンの形で含まれています。重炭酸塩は、岩石、水、CO2の反応によって生成されます。一例は、炭酸カルシウムの分解です。 {\ displaystyle {\ ce {CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca ^ {2 +} \ + \ 2HCO3-}}} {\ displaystyle {\ ce {CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca ^ {2+} \ + \ 2HCO3-}}}。 このような反応は、大気中のCO2濃度の変動を滑らかにします。反応の右側には酸が含まれているため、左側にCO2を加えると、pHが低下し、海洋が酸性になります。二酸化炭素と非炭酸岩の間の他の反応も、炭酸とそのイオンの形成につながります。 このプロセスは可逆的であり、石灰石やその他の炭酸塩岩が形成され、炭化水素の半分がCO2として放出されます。何億年もの間、このプロセスにより、地球の原始大気からの元の二酸化炭素のほとんどが炭酸岩に結合しました。最終的には、人為的排出によって生成されたCO2の大部分は海洋に溶解しますが、このプロセスが将来発生する速度は不明なままです[51]。 大気中のCO2濃度が植物の生産性（光合成）に及ぼす影響 CO2固定の方法によると、圧倒的多数の植物は光合成C3とC4のタイプに属しています。既知の植物種のほとんどはC3グループに属しています（地球の植物バイオマスの約95％はC3植物です）。トウモロコシ、サトウキビ、キビなどの重要な農作物を含むいくつかの草本植物はC4グループに属しています。 炭素固定のC4メカニズムは、大気中の低CO2濃度の条件への適応として開発されました。ほとんどすべての植物種で、空気中のCO2濃度の増加は、光合成の活性化と成長の加速につながります。 C3プラントでは、CO2濃度が1000 ppmを超えると、曲線はプラトーになり始めます。 ただし、C4プラントでは、光合成速度の増加は、400ppmのCO2濃度ですでに停止しています。したがって、現在の濃度は現在400分子/百万（ppm）を超えており、C4植物の光合成にはすでに最適に達していますが、C3植物の最適にはまだほど遠いです。 実験データによると、現在のCO2濃度を2倍にすると、（平均して）C3プラントで41％、C4で22％のバイオマス成長が加速します。 周囲の空気に300ppmのCO2を加えると、C3植物が49％、C4植物が20％、果物の木とメロンが24％、マメ科植物が44％、根菜類が48％、野菜の生産性が-37％。向上します。 1971年から1990年にかけて、CO2濃度が9％増加したことを背景に、ヨーロッパの森林のバイオマス含有量が25〜30％増加したことが認められました[52]。 参考文献 Примечания ロシア語 Wikipedia キーリングカーブ履歴のアニメーションが更新され、2019マイルストーンが含まれるようになりました。 キーリングカーブ（2019年6月4日）。治療日：2019年8月1日。 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