大気中の炭素循環

大気炭素循環は、地球の大気、海洋、陸上生物圏の間での、主に二酸化炭素（CO _{2 ）を中心とする気体}炭素化合物の交換を説明するものです。これは地球全体の炭素循環の中で最も速い要素の1つであり、毎年2000億トン以上の炭素（ギガトン炭素またはGtC）が大気中と大気外で交換されています。 ^[2] 大気中のCO ₂濃度は、これら2つの流れのバランスが存在する場合にのみ、より長い時間スケールで安定しています。 メタン（CH ₄）、一酸化炭素（CO）、およびその他の人為的化合物は低濃度で存在し、大気炭素循環の一部です。^[3]

産業革命以降、地球の岩石圏から化石炭素を抽出して燃焼させるなど、人間の活動は大気中の炭素循環のこれまでのバランスを崩し、CO ₂とCH ₄濃度の急激な増加の主な原因となっている。^[4] 2019年現在、年間排出量は10 GtC/年に増加し、累積で約450 GtCがサイクルに注入されている。^[5]これまでに 陸上と海洋の吸収源は追加された炭素の半分を吸収し、残りの半分は主にCO ₂として大気中に残留している。排出量の増加傾向が続くと仮定すると、CO ₂濃度は今世紀後半までに少なくとも2倍になる見込みである。^[6]

大気中の炭素循環は、温室効果を通じて地球のエネルギーバランスにも大きな影響を与え、地球の表層水や土壌の酸性度やアルカリ度にも影響を与えます。炭素は、モル分率で見ると大気中の全ガスの0.05%未満を占めるにもかかわらず、^[7]近年の炭素濃度の上昇により、地球温暖化と海洋の酸性化が顕著になっています。^[8] このような影響は、一般に、純排出量が安定して削減されるまで、さらに加速すると予測されています。^[6]

大気は地球の主要な炭素貯蔵庫の一つであり、2000年時点で約720ギガトンの炭素を蓄えています。 ^[2]産業革命以降、主に炭素ベースの温室効果ガス の濃度は劇的に増加しています。このため、大気中の炭素成分を理解することは非常に重要です。2つの主要な炭素温室効果ガスはメタンと二酸化炭素です。^[10]

メタン（CH4 _）は、最も強力な温室効果ガスの1つであり、主に生物の消化や腐敗によって生成されます。メタンガスは2番目に重要な温室効果ガスであると考えられていますが、^[10]大気中のメタン循環は現在のところほとんど理解されていません。^[11]年間に生成され吸収されるメタンの量は大きく異なります。^[10]

メタンは永久凍土の下や大陸棚にメタン氷として大量に蓄えられています。さらに、有機物の嫌気性分解によってもメタンは生成され、生物の消化管や土壌などでも生成されます。自然界でのメタン生成は、世界のメタン源の10～30%を占めています。^[12]

人為起源のメタンは、牛の飼育や埋め立て地でのゴミの腐敗など、さまざまな方法で生成されます。また、化石燃料の採掘や流通など、いくつかの産業源からも生成されます。^[11]大気中のメタンの70％以上は生物起源です。メタン濃度は産業革命の始まり以来徐々に上昇しており、^[13] 1750年の約700 ppbから2005年の約1775 ppbに上昇しました。^[10]

メタンは、光化学的に生成されたヒドロキシルフリーラジカル（OH）の反応によって大気から除去される。 ^{[14] [15]}また、成層圏に入ってそこで破壊されるか、土壌シンクに吸収されることで大気圏から出ることもできる。^[16]メタンは他の化合物とかなり速く反応するため、二酸化炭素などの他の多くの温室効果ガスほど長く大気中に留まらない。大気中での寿命は約8年である。^[13]これにより、大気中のメタンの濃度は比較的低く抑えられており、体積当たりの温室効果ははるかに強力であるにもかかわらず、現在、メタンが温室効果において二酸化炭素に次ぐ役割を果たしている理由はここにある。^[11]

二酸化炭素（CO2 ）は_、温室効果を通じて地球の気温に大きな温暖化効果をもたらします。個々のCO2分子が大気中に滞在する時間は短いですが_、火山の噴火や人間の活動などにより二酸化炭素レベルが急上昇した場合、そのレベルが下がるには非常に長い時間がかかります^[17] 。また、多くの長期持続型温室効果ガスの中で、二酸化炭素は大気の最大の部分を占めるため、最も重要なガスです。^[10]産業革命 以来、大気中のCO2_濃度は約280 ppmからほぼ400 ppmに上昇しました。^{[7]導入される}_CO2の量は地球の炭素循環のわずかな部分を占めるにすぎませんが、二酸化炭素の長い滞在時間により、これらの排出は総炭素収支に関連しています。二酸化炭素濃度の上昇は温室効果を強め、地球の気候に変化をもたらします。毎年大気中に導入される二酸化炭素の増加量のうち、約80%は化石燃料の燃焼とセメント製造によるものです。残りの約20％は土地利用の変化と森林伐採に起因しています。^[18]ガス状の二酸化炭素は他の化学物質とすぐに反応しないため、大気中の二酸化炭素含有量を変化させる主なプロセスは、次のセクションで説明するように、地球上の他の炭素貯蔵庫との交換を伴います。

大気中の炭素は海洋と陸上生物圏の間で急速に交換されています。つまり、大気は時には炭素の吸収源として、また時には炭素の供給源として機能します。^[2]次のセクションでは、大気と地球全体の炭素循環の他の要素との間の交換を紹介します。

炭素は陸上生物圏とさまざまな速度で交換されます。炭素は二酸化炭素の形で独立栄養生物に吸収され、有機化合物に変換されます。炭素はまた、生物学的プロセスの過程で生物圏から大気中に放出されます。好気呼吸は有機炭素を二酸化炭素に変換し、特定のタイプの嫌気呼吸はそれをメタンに変換します。呼吸後、二酸化炭素とメタンの両方が通常大気中に放出されます。有機炭素は燃焼時にも大気中に放出されます。^[19]

陸上生物圏における炭素の滞留時間は様々で、多くの要因に依存します。生物圏への炭素の吸収は、さまざまな時間スケールで発生します。炭素は主に植物の成長中に吸収されます。炭素吸収の増加パターンは、日中（夜間の炭素吸収が少ない）と年間（冬季の炭素吸収が少ない）の両方で観察されます。^[10]動物の有機物は一般に急速に分解し、呼吸を通じてその炭素の多くを大気中に放出しますが、死んだ植物質として貯蔵された炭素は、生物圏に10年以上留まります。植物質の分解速度は植物の種類によって異なります。たとえば、木質物質は、柔らかい葉の物質よりも炭素を長く保持します。^[20]土壌中の活性炭素は最大1000年間隔離されたままでいることができますが、土壌中の不活性炭素は1000年以上隔離されたままでいることができます。^[19]

毎年、海洋と大気は大量の炭素を交換しています。海洋と大気の炭素交換の主な制御要因は熱塩循環です。海洋湧昇地域では、深海の炭素を豊富に含んだ水が表面に上がり、二酸化炭素として大気中に炭素を放出します。高緯度の冷水には大量の二酸化炭素が溶けています。この水は沈み、炭素を深海に運び、数十年から数世紀にわたってそこに留まります。^[2]海洋循環イベントにより、このプロセスは変動します。たとえば、エルニーニョ現象の際には深海の湧昇が少なくなり、二酸化炭素の大気中への放出が少なくなります。^[18]

生物学的プロセスも海洋と大気の炭素交換につながります。二酸化炭素は大気と海洋の表層の間で平衡状態を保ちます。独立栄養生物が光合成や呼吸を通じて水中の二酸化炭素を増やしたり減らしたりすることで、このバランスが変化し、水がより多くの二酸化炭素を吸収したり、大気中に二酸化炭素を放出したりします。^[2]

炭素は一般に大気圏と地圏の間で非常にゆっくりと交換されます。例外は火山の噴火と化石燃料の燃焼で、どちらも大量の炭素を非常に急速に大気中に放出します。^[21]地質学的プロセスによって露出した新鮮なケイ酸塩岩は、風化と浸食のプロセスによって空気にさらされると、大気から炭素を吸収します。^[要出典]

人間の活動は、化石燃料やその他の有機物の燃焼を通じて大気中の炭素量を直接変化させ、有機炭素を酸化させて二酸化炭素を生成します。 ^{[22] [23]} もう一つの人為的な二酸化炭素の発生源はセメント生産です。化石燃料の燃焼とセメント生産は、産業革命の初め以来、大気中のCO2増加の主な原因です。_[ 10 ^]

大気中の炭素循環におけるその他の人為的変化は、炭素貯蔵庫に対する人為的変化によるものである。例えば、森林破壊は生物圏の炭素吸収能力を低下させ、大気中の炭素量を増加させる。^[24]

人間による炭素の産業利用は地質学的規模では非常に新しい動向であるため、大気中の炭素の排出源と吸収源を追跡できることが重要です。その方法の 1 つは、大気中に存在する安定炭素同位体の割合を観察することです。2 つの主要な炭素同位体は¹² C と¹³ C です。植物は、より軽い同位体である^{12 C を13} Cよりも容易に吸収します。 ^[25]化石燃料は主に植物質に由来するため、大量の化石燃料が燃焼して¹² Cが放出されると、大気中の¹³ C/ ¹² C 比は低下します。逆に、大気中の¹³ C/ ^{12 C の増加は、生物圏の炭素吸収量が高いことを示しています。 [19]化石燃料と製造されたセメントからの CO} ₂排出量と比較した大気中の CO ₂の年間増加率を「大気中分率」と呼びます。^[26]大気中の割合は1950年代から60%前後で推移しており、これは毎年大気中に新たに放出される二酸化炭素の約60%が人為起源であることを示している。^[10]誤解のないよう明確に述べておくと、これは大気中への二酸化炭素の吸収の60%が人為起源であることを示唆するものではない。これは、大気が年間約210ギガトンの炭素を交換しているが、吸収する量は失う量よりも6～10ギガトン多いことを意味している。この純増加量のうち、約60%は化石燃料の燃焼によるものである。

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  氷床コア（青/緑）および直接（黒）から測定された過去 80 万年間の大気中の CO2_濃度。
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  海洋と陸地の吸収源は、大気中に排出された化石炭素の約半分を吸収しています。この状態がいつまで続くかは不明です。^[27]
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  CO2_は人間の活動（左）から大気、陸地、海洋の吸収源（右）に流れ込みます。^[5]
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  1850年から2018年までの人為的炭素フロー（左）と2009年から2018年までの人為的炭素フロー（右）。^[5]

• 先進的全球大気ガス実験
• 二酸化炭素 - 地球の循環 ( NASA ; 2016 年 12 月 13 日)
• 二酸化炭素 - 情報分析センター
• 温室効果ガス世界データセンター 2016-04-06ウェイバックマシンにアーカイブ