地球温暖化係数

地球温暖化係数( GWP ) は、温室効果ガスが大気中に放出された後(または大気中に放出された後)、一定期間内に吸収する赤外線 熱放射の量を測定する指標です。 GWP により、さまざまな温室効果ガスを「放射強制力を引き起こす有効性」に関して比較することができます。 ^{[1] : 2232}これは、基準ガスとして扱われる同じ質量の二酸化炭素(CO ₂ )が吸収する放射の倍数として表されます。したがって、 CO ₂の場合、 GWP の値は 1 になります。他のガスの場合、ガスが赤外線熱放射を吸収する強さ、ガスが大気中から放出される速さ、および考慮される時間枠によって異なります。

例えば、メタンの20年間のGWP（GWP-20）は81.2 ^[2]であり、これは例えば1トンのメタンが漏れると、 20年間で81.2トンの二酸化炭素が排出されるのと同等であることを意味します。メタンは二酸化炭素よりも大気寿命がはるかに短いため、長期間にわたるGWPははるかに低く、GWP-100は27.9、GWP-500は7.95です。^{[2] ：7SM-24}

二酸化炭素当量( CO ₂ e または CO ₂ eq または CO ₂ -e または CO ₂ -eq) は、GWP から計算できます。どのガスでも、地球を温める CO ₂の質量は、そのガスの質量と同じです。したがって、これはさまざまなガスの気候への影響を測定するための共通の尺度となります。これは、GWP に他のガスの質量を掛けて計算されます。

地球温暖化係数（GWP）は、「ある物質の単位質量の放出に伴う放射強制力を、選択された時間範囲にわたって蓄積し、基準物質である二酸化炭素（ _CO2）の放射強制力と比較して測定する指標」と定義されています。したがって、GWPは、これらの物質が大気中に留まる異なる時間と放射強制力を引き起こす効果の複合効果を表します。」^{[1] ：2232}

一方、放射強制力は、地球のエネルギーバランスに対する外部要因の変化を定量化し比較するために使用される科学的概念です。^{[3] : 1–4}放射強制力は、気候変動の自然または人為的要因によって引き起こされる大気中のエネルギーフラックスの変化であり、ワット/平方メートルで測定されます。 ^[4]

政府が高 GWP 源からの排出に対抗する政策を策定する中で、政策立案者は国際協定の基準として 100 年 GWP スケールを使用することを選択しました。モントリオール議定書のキガリ改正は、高 GWP 化合物のグループであるハイドロフルオロカーボン(HFC)の世界的な段階的削減を定めています。この改正では、各国が IPCC の第 4 次評価報告書 (AR4) で公表されている値と同等の GWP100 値のセットを使用することを義務付けています。 ^[5]これにより、政策立案者は新しい評価報告書で GWP 値を変更するのではなく、比較のための 1 つの基準を持つことができます。^[6] GWP100 基準には 1 つの例外があります。ニューヨーク州の気候リーダーシップおよびコミュニティ保護法では、HFC の段階的削減に参加している他のすべての国とは異なる基準であるにもかかわらず、GWP20 の使用を義務付けています。^[5]

地球温暖化係数（GWP）は、温室効果ガスとしての分子の効率と大気中の寿命の両方に依存します。GWPは、同じ質量のCO2に対して測定され_、特定の時間スケールで評価されます。^[8]したがって、ガスの放射強制力が高く（正）、寿命が短い場合、20年スケールではGWPは大きくなりますが、100年スケールでは小さくなります。逆に、分子の大気寿命がCO2よりも長い場合、_時間スケールを考慮するとGWPは増加します。二酸化炭素は、すべての期間でGWPが1であると定義されています。

メタンの大気寿命は12±2年である。^{[9] ：表7.15} 2021年のIPCC報告書では、20年間のタイムスケールでGWPが83、100年間で30、500年間で10と記載されている。^{[9] ：表7.15}より長い時間でGWPが減少するのは、メタンが大気中の化学反応によって水とCO2に分解される_{ためである。同様に、3番目に重要な温室効果ガスである}亜酸化窒素（N2O _）は、窒素循環の脱窒部分から排出される一般的なガスである。^[10]その寿命は109年で、20年と100年間のGWPレベルはさらに高く273である。

いくつかの温室効果ガスの大気寿命と CO2 に対する GWP の例を_次の表に示します。

20年、100年、500年にわたるGWP値の推定値は、気候変動に関する政府間パネルの報告書で定期的にまとめられ、改訂されています。最新の報告書は、 2023年のIPCC第6次評価報告書（第1作業部会）です。 ^[9]

IPCCはここに示されていない多くの物質を挙げています。^{[13] [9]}中にはGWPが高い物質もありますが、大気中の濃度は低いです。

表に示されている値は、同じ質量の化合物が分析されることを前提としています。ある物質が別の物質に変換されると、異なる比率になります。たとえば、メタンを燃焼させて二酸化炭素にすると、地球温暖化の影響は軽減されますが、燃焼したメタンの質量が放出された二酸化炭素の質量よりも少ないため（比率は1：2.74）、25：1よりも小さい係数になります。^{[14]メタン1トンの開始量のGWPが25の場合、燃焼後には2.74トンの}_CO2が発生し、1トンあたりのGWPは1です。これは、正味22.26トンのGWPの削減であり、地球温暖化の影響を25：2.74（約9倍）の比率で削減します。

下の表に示されている値は、2007年にIPCC第4次評価報告書に掲載された時点のものです。^{[21] [17]}これらの値は、2020年現在でもいくつかの比較に使用されています。^[22]

物質の GWP は、潜在的影響が計算される年数 (下付き文字で示される) によって異なります。大気から急速に除去されるガスは、最初は大きな影響を与える可能性がありますが、より長い期間では、除去されるにつれて、その影響は小さくなります。たとえば、メタンは 100 年間で 25 (GWP ₁₀₀ = 25) の潜在的影響がありますが、20 年間で 86 (GWP ₂₀ = 86) です。逆に、六フッ化硫黄の GWP は 100 年間で 22,800 ですが、20 年間で 16,300 です (IPCC 第三次評価報告書)。GWP 値は、大気中のガス濃度が時間の経過とともにどのように減少するかによって異なります。これは正確にはわからないことが多いため、値は正確であるとは見なされません。このため、GWP を引用する場合は、計算の参照を示すことが重要です。

ガス混合物のGWPは、個々のガスのGWPの質量分率加重平均から得ることができる。^[23]

一般的に、規制当局は100年の期間を採用している。^{[24] [25]}

水蒸気は確かに人為的な地球温暖化に寄与しているが、GWPの定義によればH ₂ Oの場合、無視できるほど小さい。推定では100年間のGWPは-0.001～0.0005である。^[26]

H _{2 O は、 CO 2}よりも吸収帯が多く広い赤外線吸収スペクトルを持つため、温室効果ガスとして機能する可能性があります。大気中の濃度は気温によって制限されるため、水蒸気による放射強制力は地球温暖化とともに増加します (正のフィードバック)。ただし、GWP の定義では間接的な影響は除外されます。GWP の定義は排出量にも基づいており、人為的な水蒸気の排出量 (冷却塔、灌漑) は数週間以内に降水によって除去されるため、GWP は無視できます。

温室効果ガスの GWP を計算する場合、その値は以下の要因によって決まります。

• 特定のガスによる赤外線の吸収
• 関心のある時間範囲（統合期間）
• ガスの大気寿命

GWP が高いと、赤外線吸収が大きく、大気寿命が長くなります。吸収波長に対する GWP の依存性はより複雑です。ガスが特定の波長で効率的に放射を吸収しても、大気がその波長で放射をほとんど吸収している場合は、GWP にそれほど影響しません。ガスは、大気がかなり透明な波長の「窓」で吸収する場合に最も効果があります。波長の関数としての GWP の依存性は経験的に発見され、グラフとして公開されています。^[30]

温室効果ガスの GWP はその赤外線スペクトルに直接依存するため、温室効果ガスを研究するために赤外線分光法を使用することは、人間の活動が地球規模の気候変動に与える影響を理解するための取り組みにおいて非常に重要です。

放射強制力が気候システムに影響を与えると考えられるさまざまな要因を互いに比較する簡略化された手段を提供するのと同様に、地球温暖化係数（GWP）は、放射特性に基づく簡略化された指標の一種であり、さまざまなガスの排出が気候システムに与える潜在的な将来の影響を相対的に推定するために使用できます。GWPは、二酸化炭素と比較した各ガスの放射効率（赤外線吸収能力）や、二酸化炭素と比較した各ガスの減衰率（一定期間に大気から除去される量）など、いくつかの要因に基づいています。^[31]

放射強制力(RF) とは、温室効果ガスによって吸収され、宇宙空間に失われるはずの単位面積あたり、単位時間あたりのエネルギー量です。次の式で表すことができます。

$${\displaystyle {\mathit {RF}}=\sum _{i=1}^{100}{\text{abs}}_{i}\cdot F_{i}/\left({\text{l}}\cdot {\text{d}}\right)}$$ ここで、下付き文字i は10センチメートルの波数間隔を表します。Abs _{i は}その間隔におけるサンプルの積分赤外線吸光度を表し、F _{i は}その間隔の RF を表します。^{[引用が必要]}

気候変動に関する政府間パネル（IPCC）は、 GWPの一般的に受け入れられている値を提供しています。この値は、1996年から2001年の間にわずかに変化しましたが、メタンだけはGWPがほぼ2倍になりました。GWPの計算方法の正確な定義は、IPCCの2001年第3次評価報告書に記載されています。^[32] GWPは、1kgの微量物質の瞬間放出による時間積分放射強制力と、1kgの基準ガスのそれに対する比として定義されます。

$${\displaystyle {\mathit {GWP}}\left(x\right)={\frac {a_{x}}{a_{r}}}{\frac {\int _{0}^{\mathit {TH}}[x](t)\,dt}{\int _{0}^{\mathit {TH}}[r](t)\,dt}}}$$ ここで、TH は計算が考慮される時間範囲です。a _{x は}物質の大気中の存在量の単位増加 (つまり、Wm ⁻² kg ⁻¹ ) による放射効率です。[x](t) は、時刻 t=0 での物質の瞬間放出後の物質の存在量の時間依存の減少です。分母には、参照ガス (つまり、CO ₂ ) の対応する量が含まれます。放射効率 a _xと a _{r は}、必ずしも時間に対して一定ではありません。多くの温室効果ガスによる赤外線の吸収は存在量に応じて線形に変化しますが、いくつかの重要なガスは現在および将来の存在量に対して非線形の挙動を示します (例: CO ₂、CH ₄、および N ₂ O)。これらのガスの場合、相対的な放射強制力は存在量に依存し、したがって採用される将来のシナリオに依存します。

すべての GWP 計算は非線形のCO ₂との比較であるため、すべての GWP 値が影響を受けます。上記のようにそうでないと仮定すると、より詳細なアプローチよりも他のガスの GWP が低くなります。これを明確にすると、 ppm 濃度が上昇するにつれて CO _{2 の}増加による放射吸収への影響はますます少なくなりますが、メタンや亜酸化窒素などのより強力な温室効果ガスは、 CO ₂ほど満たされていない (飽和していない) CO ₂とは異なる熱吸収周波数を持っているため、これらのガスの ppm の上昇ははるかに重大です。

ある量のガスの二酸化炭素当量（CO ₂ e または CO ₂ eq または CO _{2 -e）は、その GWP から計算されます。どのガスでも、地球を温める CO 2}の質量はそのガスの質量と同じです。^[33]したがって、これはさまざまなガスの気候への影響を測定するための共通の尺度を提供します。これは、GWP に他のガスの質量を掛けて計算されます。たとえば、あるガスの GWP が 100 の場合、2 トンのガスの CO ₂ e は 200 トン、9 トンのガスの CO ₂ e は 900 トンになります。

地球規模では、大気中の1つ以上の温室効果ガスの温暖化効果は、CO ₂の等価大気濃度として表すこともできます。CO ₂ e は、他のガスの特定の濃度、または大気中のすべてのガスとエアロゾルの特定の濃度と同じくらい地球を温める大気中のCO ₂濃度になります。たとえば、 500 ppmのCO _{2 e は、500 ppmのCO 2}と同じくらい地球を温める大気中のガスの混合物を反映しています。^{[34] [35]大気中の温室効果ガスまたはエアロゾルのCO} ₂の等価大気濃度の計算はより複雑で、それらのガスの大気濃度、それらの GWP、およびそれらのモル質量とCO ₂のモル質量の比が関係します。

CO2e_の計算は選択された時間スケールに依存し、通常は100年または20年です^{[36] [37]。}これは、ガスが大気中で崩壊したり自然に吸収されたりする速度が異なるためです。

一般的に使用される単位は次のとおりです。

• 国連気候変動パネル（IPCC）によると、10億トン＝n×10 ⁹ トンのCO2_換算（GtCO ₂ eq）^[38]
• 産業分野：百万メートルトン二酸化炭素換算値（MMTCDE）^[39]およびMMT CO ₂換算値^[22]
• 車両の場合：1マイルあたりの二酸化炭素換算グラム数（gCO ₂ e/マイル）または1キロメートルあたりの二酸化炭素換算グラム数（gCO ₂ e/km）^{[40] [41]}

たとえば、上の表では、20 年間のメタンの GWP が 86、亜酸化窒素が 289 となっているため、メタンまたは亜酸化窒素の 100 万トンの排出量は、それぞれ 8,600 万トンまたは 2 億 8,900 万トンの二酸化炭素の排出量に相当します。

京都議定書に基づき、1997年に締約国会議は、IPCC第2次評価報告書のために計算されたGWPの値を、さまざまな温室効果ガス排出量を比較可能なCO2換算値に変換するために使用されることを決定し（決定番号2/CP.3を参照）、_国際的な報告を標準化した。^{[42] [43]}

この基準は、いくつかの中間的な更新を経て、2013年に国連気候変動枠組条約（UNFCCC、決定番号24/CP.19）のワルシャワ会議で更新され、100年GWP値の新たなセットの使用が義務付けられました。彼らはこれらの値を付属書IIIで公表しましたが、それは2007年に公表されたIPCC第4次評価報告書から取ったものでした。 ^[21] 2007年の推定値は2020年まで国際比較に使用されていますが、^[22]温暖化の影響に関する最新の研究では、上記の表に示すように他の値が見つかっています。

最近の報告書はより科学的な正確さを反映しているが、各国や企業は排出量報告書の比較のためにIPCC第2次評価報告書（SAR）^{[16]とIPCC第4次評価報告書の値を引き続き使用している。IPCC}第5次評価報告書では500年の値は省略されているが、不確実性が大きい気候炭素フィードバック（f）を含むGWP推定値が導入されている。^[13]

地球温度変化ポテンシャル（GTP）は、ガスを比較する別の方法です。GWPは吸収される赤外線熱放射を推定しますが、GTPは、温室効果ガスによって引き起こされる、今後20年、50年、または100年間の世界の平均表面温度の上昇を、同じ質量のCO2によって引き起こされる温度上昇と比較して推定し_ます。^[13] GTPの計算には、世界、特に海洋がどのように熱を吸収するかをモデル化する必要があります。^[24] GTPは、GWPと同じIPCCテーブルで公開されています。^[13]

GWP*（「GWPスター」と発音^[44]）と呼ばれる別の測定基準は、メタンなどの短寿命気候汚染物質（SLCP）をより適切に考慮するために提案されています。SLCPの排出率の永続的な増加は、二酸化炭素の1回限りの排出と同様の効果をもたらします。なぜなら、どちらも放射強制力を永続的に、または（二酸化炭素の場合）実質的に永続的に増加させるからです（CO2は長時間空気中に留まるため_）。したがって、GWP*はSLCPの排出率の増加を、おそらく同等の量（トン）のCO2に_割り当てます。^[45]しかし、GWP*は、測定基準としての適合性と、不公正と不平等を永続させる可能性のある固有の設計特性の両方について批判されてきました。 SLCPの排出量が増加している発展途上国は「罰せられる」が、SLCPの排出量が安定しているオーストラリアやニュージーランドなどの先進国は、CO2の排出量については罰せられることはあっても、このような罰は受けない_。 [ ^{46] [47] [44]}

• 炭素会計
• カーボンフットプリント
• 排出強度

• Schimel, D.; Alves, D.; Enting, I.; Heimann, M.; et al. (1995). 「第 2 章: 気候変動の放射強制」。気候変動 1995: 気候変動の科学。気候変動に関する政府間パネルの第 2 次評価報告書に対する作業部会 I の貢献(IPCC SAR WG1)。pp. 65–132。
• Forster, P.; Ramaswamy, V.; Artaxo, P.; Berntsen, T.; et al. (2007). 「第 2 章: 大気の成分と放射強制力の変化」(PDF)。気候変動 2013: 物理科学的根拠。気候変動に関する政府間パネルの第 4 次評価報告書に対する作業部会 I の貢献。pp. 129–234。
• Myhre, G.; Shindell, D.; Bréon, F.-M.; Collins, W.; et al. (2013). 「第 8 章: 人為的および自然放射強制力」(PDF)。気候変動 2013: 物理科学的根拠。気候変動に関する政府間パネルの第 5 次評価報告書に対する作業部会 I の貢献。pp. 659–740。

• 米国環境保護庁による地球温暖化係数と大気寿命のリスト
• GWPとCO2eのさまざまな意味の説明