地球の大気中の二酸化炭素

産業革命の開始以来、大気中のCO ₂濃度は増加しており、地球温暖化と海洋酸性化を引き起こしています。^{[ 12 ]} 2023 年 10 月の地球大気中のCO ₂の平均レベルは、季節変動を調整して、体積比で422.17百万分率(ppm) でした。 ^{[ 13 ]}この数値は、米国海洋大気庁(NOAA)によって毎月公表されています。^{[ 14 ] [ 15 ]} 18 世紀半ばまでの 10,000 年間、この値は約 280 ppm でした。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

大気中の二酸化炭素1ppmは、_約2.13ギガトンの炭素、または7.82ギガトンのCO2に相当する。^{[ 16 ]}

2021年には、「主要な温室効果ガス（二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素）の濃度増加率は、少なくとも過去80万年間で前例のないものである」と指摘された。^{[ 17 ]： 515}

2024年現在、1850年以降、人間の活動によって2,650ギガトンのCO2_が排出されたと推定されており、年間排出量は42ギガトン/年である。海洋や陸地による吸収後、約1,050ギガトンが大気中に残っている。^{[ 18 ]}

これまでに移動した化石炭素の一部（推定20～35％）は、これらの炭素移動活動が収束し始めてから何千年もの間、高濃度のCO2として大気中に残留する_だろう。^{[ 19 ] [ 20 ]}

大気中のCO ₂濃度は季節によってわずかに変動し、北半球の春と夏には植物がガスを消費するため低下し、北半球の秋と冬には植物が休眠したり枯れて腐敗したりするため上昇します。 北半球の生育期である 5 月から 9 月にかけて濃度は約 6 ～ 7 ppm (約 50 Gt) 低下し、その後約 8 ～ 9 ppm 上昇します。北半球は中緯度 (30 ～ 60 度) の陸地面積と植物バイオマスが南半球よりはるかに大きいため、CO ₂濃度の年間サイクルを支配しています。濃度は北半球の春の緑化が始まる 5 月にピークに達し、生育期の終わりに近い 10 月に最低値まで低下します。^{[ 21 ] [ 22 ]}

濃度は地域によっても異なり、地表付近で最も大きく変動し、上空では変動ははるかに小さい。都市部では一般的に濃度が高く^{[ 23 ]}、屋内では背景レベルの10倍に達することがある。

• 2009年のデータによると、世界の平均CO2濃度_は年間約2ppmの割合で上昇しており、その速度は加速している。^{[ 25 ] [ 26 ]}
• マウナロア観測所における大気中のCO ₂の 1 日平均濃度は、2013 年 5 月 10 日に初めて 400 ppm を超えました^{[ 27 ] [ 28 ]。}ただし、この濃度は、2012 年 6 月に北極ですでに達成されていました。^{[ 29 ]} 2013 年のデータによると、大気中の二酸化炭素濃度は「55 年間の測定で初めて、そしておそらく 300 万年以上の地球の歴史の中で初めて」この高さに達しています。^{[ 30 ]}
• 2018年時点で、CO2濃度は_410ppmと測定された。^{[ 25 ] [ 31 ]}

NOAA / ERSL ^{[ 33 ]}、WDCGG ^{[ 34 ]} 、 RAMCES [ ^{35 ] など、}いくつかの表面測定（フラスコや連続現場測定を含む）ネットワークがあります。NOAA /ESRL ベースライン観測ネットワークとスクリップス海洋研究所ネットワーク^{[ 36 ]の}データは、 ORNLのCDIACでホストされています。GAW の一部である温室効果ガス世界データセンター (WDCGG) のデータは、気象庁でホストされています。大気中化合物効果測定データベース (RAMCES) は、 IPSLの一部です。

これらの測定値から、さまざまなソースからのデータを統合した製品が作成されます。これらの製品は、データの不連続性や疎性などの問題にも対処します。GLOBALVIEW- CO2_は、これらの製品の 1 つです。^{[ 37 ]}

• 長年地中に埋まっていた化石燃料の燃焼によって放出されるCO2には_、生きている植物とは異なる同位体比の炭素が含まれており、 CO2濃度に対する自然要因と人為的要因の寄与を区別することが_できる。^{[ 38 ]}
• 世界の人口の大部分が居住し、排出源となっている北半球では、南半球に比べて大気中のCO2濃度が高い。この差は、人為的な排出量の増加に伴って拡大し_ている。^{[ 39 ]}
• 地球の大気中の酸素_濃度は、化石燃料中の炭素と反応して二酸化炭素を_生成するため減少している。^{[ 40 ]}

CO2_の吸収と放出は自然過程の結果として常に起こっているが、大気中のCO2レベルの最近の上昇は主に人間の（人為的な）活動によるものであることが知られている。 ^{[ 17 ]}_{人為的な炭素排出量は、}自然の吸収源によって吸収または相殺できる量を超えている。^{[ 42 ]}そのため、二酸化炭素は徐々に大気中に蓄積され、2022年5月現在、その濃度は産業革命以前のレベルより50%高くなっている。^{[ 3 ]}

化石燃料の採掘と燃焼により、何百万年も地下に存在していた炭素が放出され、大気中のCO ₂濃度が増加しています。^{[ 4 ] [ 12 ]} 2019 年現在、人間による地質学的化石炭素の採掘と燃焼により、毎年30 ギガトン以上のCO ₂ (90億トンの炭素) が放出されています。 ^{[ 43 ]}この自然バランスの大きな乱れが、近年の大気中のCO ₂濃度の増加の原因となっています。^{[ 31 ] [ 44 ]}現在、化石燃料の燃焼によって放出される二酸化炭素の約半分は、植物や海洋に吸収されず、大気中に残っています。^{[ 42 ]} 

石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料の燃焼は_、人為的な二酸化炭素増加の主な原因であり、森林破壊はそれに次ぐ主な原因である。 2010年には、化石燃料とセメント生産から世界中で9.14ギガトンの炭素（GtC、33.5ギガトンのCO2 _{、または地球の大気中の約4.3 ppmに相当）が放出されたが、1990年には6.15 GtCであった。} ^{[ 45 ]}さらに、土地利用の変化は2010年に0.87 GtCを寄与し、1990年には1.45 GtCであった。^{[ 45 ]} 1751年から1900年の期間には、化石燃料の燃焼により約12 GtCがCO2として大気中に放出されたが_、1901年から2013年の期間ではその数値は約380 GtCであった。^{[ 46 ]}

国際エネルギー機関は、 2021年に世界の排出量上位1％の国がそれぞれ50トン以上のCO2排出量_を記録し、これは排出量下位1％の国の1,000倍以上であると推定している。世界平均のエネルギー関連の二酸化炭素排出量は1人あたり約4.7トンで_ある。^{[ 47 ]}

地球上では、二酸化炭素は人間の活動によって影響を受ける最も関連性の高い直接的な温室効果ガスです。水は温室効果全体のほとんど（約36～70％）を占めており、温室効果ガスとしての水蒸気の役割は温度に依存します。二酸化炭素は、産業革命以前（1750年）の時代から温室効果ガスとしての影響が増大しているという文脈でよく言及されます。2013年には、CO2の増加が_地球上の放射強制力の変化2.63 W m ⁻²のうち1.82 W m ⁻² （約70％）の原因であると推定されました。^{[ 48 ]}

地球の自然な温室効果は、私たちが知っているような生命を可能にしており、大気中の二酸化炭素は地球の比較的高い気温をもたらす上で重要な役割を果たしています。温室効果とは、惑星の大気からの熱放射によって惑星の表面が、大気がない場合の温度よりも暖かくなるプロセスです。^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]}

_{大気中の CO 2 の}増加が地表温度を上昇させるという概念は、1896 年にスヴァンテ・アレニウスによって初めて発表されました。 ^{[ 52 ]}地球の大気中のCO ₂の増加による放射強制力の増加は、CO _{2の物理的特性と、CO 2 が}外向きの長波エネルギーを吸収する非飽和吸収ウィンドウに基づいています。増加した強制力は、地球のエネルギーバランスにさらなる変化をもたらし、長期的には地球の気候にも変化をもたらします。^{[ 17 ]}

大気中の二酸化炭素は地球の炭素循環において不可欠な役割を果たしており、光合成や炭酸塩_の沈殿（例えば石灰岩の形成）といった自然プロセスによって大気から除去され、呼吸や炭酸塩堆積物の酸溶解といった他の自然プロセスによって大気中に再び放出されます。地球には大きく分けて2つの炭素循環があります。それは、速い炭素循環と遅い炭素循環です。速い炭素循環とは、環境と生物圏の生物との間の炭素の移動を指し、遅い炭素循環とは、大気、海洋、土壌、岩石、火山活動の間の炭素の移動を指します。どちらの循環も本質的に相互に関連しており、大気中の二酸化炭素_がそのつながりを促進します。

_大気中の二酸化炭素の自然発生源としては、火山ガス放出、有機物の燃焼、山火事、好気性生物の呼吸過程などが挙げられる。人為的な二酸化炭素発生源としては、化石燃料の燃焼や、セメント製造などの一部の工業プロセスなど_{が挙げられる。}

CO ₂の自然発生源は、大気からCO ₂を除去する化学的および生物学的プロセスという形での自然の炭素吸収源によってほぼバランスが取れています。たとえば、森林、草原、その他の陸上植生の有機物の分解（森林火災を含む）により、毎年約 436ギガトンのCO ₂ (炭素 119 ギガトンを含む) が放出されますが、陸上の新しい成長によるCO _{2の吸収は、これらの放出を相殺し、451 ギガトン (炭素 123 ギガトン) を吸収します。} ^{[ 54 ]}若い地球の初期大気中のCO _{2の多くは}火山活動によって生成されましたが、現代の火山活動は毎年130 ～ 230メガトンのCO ₂しか放出しません。 ^{[ 55 ]}   

人類の産業革命以前の時代から1940年まで、陸上生物圏は（主に土地利用の変化によって）大気中のCO2_の正味の排出源であったが、その後、化石炭素排出量の増加に伴い正味の吸収源に変わった。^{[ 56 ]}

炭素は、大気、植物（枯死植物と生植物）、土壌、海洋の表層、深海の間を移動します。ベルン大学のフォルトゥナト・ヨースとその同僚によって、ベルンモデルと呼ばれる詳細なモデルが開発されました。^{[ 57 ]}このモデルに基づいたより単純なモデルでは、大気中に放出されてからの年数の関数として、大気中に残るCO2 の割合が示されています_。^{[ 58 ]}

${\displaystyle f(t)=0.217+0.259\exp(-t/172.9)+0.338\exp(-t/18,51)+0.186\exp(-t/1.186)}$

このモデルによれば、大気中に放出された二酸化炭素の21.7%は永久に大気中に残ることになるが、炭素を含む物質が現在機能していない方法（人工隔離）で循環から除去（および貯蔵）される場合は、もちろんこれは当てはまらない。

海洋炭素循環

地球の海洋には、大気中の量よりもはるかに多い、重炭酸イオンと炭酸イオンの形で大量の二酸化炭素_が含まれている。重炭酸イオンは、岩石、水、二酸化炭素の反応によって生成される。

1850年から2022年までの間に、海洋は人為的排出量の26%を吸収しました。^{[ 12 ]}しかし、海洋が将来それを吸収する速度はそれほど確実ではありません。炭酸塩鉱物の溶解を含めて平衡に達したとしても、重炭酸塩濃度の増加と炭酸イオン濃度の減少または変化なしにより、非イオン化炭酸と溶解CO2_の濃度が高くなります。海中のこの濃度の上昇は、気温の上昇とともに、大気中のCO2_{の平衡濃度の上昇を意味します。} ^{[ 59 ] [ 60 ]}

2025年にScience Advancesに掲載された研究では、高緯度における南極環流（ACC）の流れの加速が南極周辺の同位体的に軽い深層水の湧昇を引き起こし、大気中の二酸化炭素濃度を上昇させ、それによって将来の温暖化に対する重要な正のフィードバックとなる可能性があると結論付けている。^{[ 61 ]}

大気中のCO2濃度の_上昇による直接的な影響には_、地球温暖化、海洋酸性化、植物や作物に対するCO2施肥効果などがある。 ^{[ 62 ]}

海洋酸性化

海洋酸性化とは、地球の海洋のpHが継続的に低下している現象です。1950年から2020年の間に、海洋表面の平均pHは約8.15から8.05に低下しました。^{[ 69 ]}人間の活動による二酸化炭素の排出が海洋酸性化の主な原因であり、大気中の二酸化炭素（CO2 _）濃度は422 ppmを超えています（2024年時点）。^{[ 70 ]}大気中のCO2_は海洋に吸収されます。この化学反応により炭酸（H2CO3）が生成され、炭酸水素イオン（HCO − 3 ）と_水素イオン（H +_）に解離します。^遊離水素イオン（ H ⁺ ）の存在により海洋のpHが低下し、酸性度が高まります（これは海水がまだ酸性であることを意味するものではなく、pHが8より高いアルカリ性です）。軟体動物やサンゴなどの海洋石灰化生物は、殻や骨格を作るために炭酸カルシウムに依存しているため、特に脆弱である。^{[ 71 ]} 

pHが0.1変化すると、世界の海洋における水素イオン濃度が26%増加します（pHスケールは対数なので、pH単位が1変化すると、水素イオン濃度が10倍変化します）。海面pHと炭酸塩飽和状態は、海洋の深さと場所によって異なります。より低温で高緯度の海水は、より多くのCO2を吸収することができます。これにより酸性度が上昇し、これらの地域のpHと炭酸塩飽和レベルが低下する可能性があります。大気と海洋のCO2交換、ひいては局所的な海洋_酸性化には、他にもいくつかの要因が影響します_。これらには、海流と湧昇域、大陸の大きな河川への近さ、海氷の被覆、化石燃料の燃焼と農業からの窒素と硫黄との大気交換が含まれます。^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]}

長期的な時間スケールでは、大気中のCO₂濃度は_、堆積物中の有機炭素の埋没、珪酸塩岩の風化、火山ガス放出といった地球化学的プロセス間のバランスによって決定されます。数千万年から数億年にわたる炭素循環のわずかな不均衡の正味の効果は、大気中のCO₂濃度を低下_させることでした。数十億年という時間スケールでは、このような減少傾向は、火山活動による埋没炭素の歴史的な大量放出が時折起こる頻度が減少するにつれて（地球のマントル冷却と内部放射性熱の漸進的な枯渇が進むにつれて） _、無期限に続くと考えられます。これらのプロセスの速度は極めて遅いため、今後数百年から数千年の大気中のCO₂濃度には影響を与えません。

地球の地質学的歴史を通じて、CO ₂濃度は生物の進化に役割を果たしてきました。最初の光合成生物はおそらく生命の進化史の初期に進化し、水ではなく水素や硫化水素などの還元剤を電子源として使用していたと考えられます。^{[ 107 ]}シアノバクテリアは後に出現し、それらが生成した過剰な酸素は酸素大惨事に寄与し、^{[ 108 ]}複雑な生命の進化を可能にしました。最近の地質学的時代には、 600 ppm 未満の低いCO _{2濃度が、700 万年前から 500 万年前の間に効率の低いC3}代謝経路を使用する植物よりも大幅に増加したC4植物の進化を促進する刺激であった可能性があります。^{[ 109 ]}現在の気圧では、大気中の CO 2 濃度が 150 ppm および 200 ppm を下回ると光合成は停止しますが、_一部の微生物ははるかに低い濃度で空気から炭素を抽出できます。^{[ 110 ] [ 111 ]}

機器によるサンプリング以前の期間の大気中の二酸化炭素濃度を測定する最も直接的な方法は、南極またはグリーンランドの氷床に閉じ込められた気泡（流体またはガスの包有物）を測定することです。このような研究の中で最も広く受け入れられているものは、さまざまな南極のコアから得られたもので、大気中のCO ₂濃度は産業排出が始まる直前に約 260 ～ 280 ppm であり、その前の 10,000 年間はこのレベルからほとんど変化しなかったことを示しています。 [ ^{112 ] [ 113 ]最も}長い氷床コアの記録は東南極のもので、800,000 年前の氷がサンプリングされています。^{[ 114 ]}この間、大気中の二酸化炭素濃度は氷河期には 180 ～ 210 ppm の間で変動し、温暖な間氷期には 280 ～ 300 ppm に増加しました。^{[ 115 ] [ 116 ]}

大気中のCO ₂モル分率は 1900 年代以降約 35 パーセント上昇し、体積比で 280 ppm から 2009 年に 387 ppm に上昇しました。化石化した葉の気孔の証拠を使用したある研究では、 1 万年から 7 千年前の期間にCO ₂モル分率が 300 ppm を超えていたという、より大きな変動が示唆されています^{[ 117 ]} _{。ただし、これらの結果は実際の CO 2 の}変動ではなく、較正または汚染の問題を反映している可能性が高いと主張する人もいます。^{[ 118 ] [ 119 ]}氷の中に空気が閉じ込められる方法 (氷の中の孔がゆっくりと閉じて、積雪の奥深くに気泡を形成する) と、分析された各氷サンプルが表す期間のため、これらの数値は、年間または 10 年間のレベルではなく、最大数世紀の大気濃度の平均を表しています。 

_{氷床コアは、}過去80万年間の温室効果ガス濃度の変動の証拠を提供する。CO2とCH4の両方₄濃度は氷期と間氷期で異なり、これらの変動は気温と強く相関しています。氷床コア記録に示されている期間より前の期間については直接データは存在しませんが、氷床コア記録によると、過去 80 万年間、₂ ppm ～ 280の範囲内に留まっていました代理測定値とモデルは、過去の時代にはより大きな変動があったことを示唆しています。5億年前の CO₂レベルは現在よりも 10 倍高かった可能性があります。 ^{[ 120 ]}  

数百万年前の大気中のCO2濃度を推定するために、さまざまな代替測定法が用いられてきた。これには、_特定の種類の海洋堆積物中のホウ素および炭素同位体比、化石植物の葉に見られる気孔の数などが含まれる。^{[ 109 ]}

フィタンはジテルペノイドアルカンの一種です。クロロフィルの分解生成物であり、現在では古代のCO2濃度を推定するために使用されています。^{[ 121 ]}_{フィタンはCO2濃度の連続的な記録を}提供する一方で、 5億年以上にわたるCO2記録_の空白期間と重なる可能性もあります。^{[ 121 ]}