地球温暖化の可能性

地球温暖化係数（GWP）は、二酸化炭素（CO2）と比較して、特定の期間に温室効果ガス（ _GHG）が大気中にどれだけの熱を閉じ込めるかを示す尺度です。 ^{[ 1 ]： 2232}これは、同じ質量のCO2によって引き起こされる温暖化の倍数として表される無次元量です。したがって、定義により、CO2のGWPは₁です。他のガスの場合、それはガスが熱放射をどれだけ強く吸収するか、大気からどれだけ速く消えるか、および考慮される時間枠_{に依存します。}

例えば、メタン（CH₄ _）の20年間の地球温暖化係数（GWP-20）は81.2です^{[ 2 ]。}これは、1トンのメタンが漏洩すると、20年間で測定した場合、 81.2トンのCO₂を排出することに相当すること_{を意味します。メタンの大気中寿命はCO₂}よりもはるかに短いため、より長い期間ではGWPははるかに小さくなり、GWP-100は27.9、GWP-500は7.95となります^{[ 2 ]： 7SM-24}

温室効果ガス排出量（GHG排出量）は、二酸化炭素換算質量で表すこともできますし、単に二酸化炭素換算量（CO ₂ e またはCO ₂ eq と表記され、CO ₂ -e またはCO ₂ -eq とも表記される）は、GWP と排出質量から計算することもできます。どのガスについても、地球をそのガスの質量と同じだけ温暖化させるCO _{2の質量が存在します。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、通常はギガトン（記号 Gt）で表されます。

地球温暖化係数（GWP）は、「特定の物質の単位質量の排出後に発生する放射強制力を、選択された時間軸にわたって蓄積し、基準物質である二酸化炭素（ _CO₂）の放射強制力と比較した指標」と定義される。したがって、GWPは、これらの物質が大気中に留まる期間の違いと、放射強制力を引き起こす効果の複合的な影響を表す。^{[ 1 ]： 2232}

一方、放射強制力は、地球のエネルギーバランスの変化の外部要因を定量化および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、ワット毎平方メートルで測定される、気候変動の自然要因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流束の変化です。 ^{[ 4 ]}

温室効果ガスの地球温暖化係数（GWP）を計算する際、その値は以下の要因によって決まります。

• 与えられたガスによる赤外線の吸収
• 関心のある時間軸（積分期間）
• ガスの大気中寿命

GWPが高いということは、赤外線の吸収が大きく、大気中での寿命が長いことと相関関係があります。GWPの吸収波長への依存性はより複雑です。ある波長でガスが放射線を効率的に吸収したとしても、大気がすでにその波長でほとんどの放射線を吸収している場合は、GWPにあまり影響しない可能性があります。ガスが最も効果を発揮するのは、大気が比較的透明な波長の「窓」で吸収する場合です。波長の関数としてのGWPの依存性は経験的に見出され、グラフとして発表されています。^{[ 19 ]}

温室効果ガスの地球温暖化係数（GWP）は、その赤外線スペクトルに直接依存するため、温室効果ガスの研究に赤外線分光法を用いることは、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上で極めて重要である。

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、さまざまなガスの排出が気候システムに及ぼす将来の潜在的な影響を相対的に推定するために使用できる放射特性に基づく簡略化された指標の一種です。GWPは、二酸化炭素に対する各ガスの放射効率（赤外線吸収能力）や、二酸化炭素に対する各ガスの減衰率（一定年数にわたって大気から除去される量）など、多くの要因に基づいています。^{[ 20 ]}

放射強制力（RF）とは、温室効果ガスが単位面積、単位時間あたりに吸収するエネルギー量であり、そうでなければ宇宙空間に放出されるエネルギー量である。これは次の式で表される。

$${\displaystyle {\mathit {RF}}=\sum _{i=1}^{100}{\text{abs}}_{i}\cdot F_{i}/\left({\text{l}}\cdot {\text{d}}\right)}$$ ここで、添え字iは10逆センチメートルの波数間隔を表します。Abs _{i は}その間隔における試料の積分赤外線吸光度を表し、F _{i は}その間隔における RF を表します。

気候変動に関する政府間パネル（ IPCC ）は、地球温暖化係数（GWP）の一般的に受け入れられている値を提示しており、メタンのGWPがほぼ2倍になったことを除き、1996年から2001年の間にわずかに変化しました。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。^{[ 21 ]}  GWPは、1kgの微量物質の瞬間的な放出による時間積分放射強制力と 、1kgの基準ガスの放出による放射強制力の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は物質の大気中存在量が単位増加したときの放射効率 (つまり Wm ⁻² kg ⁻¹ ) であり、[x](t) は時間 t=0 で物質が瞬時に放出された後の物質の存在量の時間依存的な減少です。分母には基準ガス (つまりCO ₂ ) の対応する量が含まれています。放射効率 a _xと a _{r は}必ずしも時間を通じ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と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な挙動を示します (たとえば、CO ₂、CH ₄、および N ₂ O)。これらのガスの場合、相対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。

GWPの計算はすべて非線形なCO₂_との比較に基づいているため、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CO₂_の増加が放射吸収に与える影響は小さくなりますが、メタンや亜酸化窒素のようなより強力な温室効果ガスは、CO₂とは異なる_{熱吸収周波数を持ち、}CO₂ほど飽和しないため、これらのガスのppmの上昇ははるかに大きな意味を持ちます。

地球温暖化係数( GTP ) は、温室効果ガスを比較するもう 1 つの方法です。GWP は吸収される赤外線熱放射を推定しますが、GTP は、同じ質量の CO 2 が引き起こす温度上昇と比較して、特定の期間 (次の 20 年、50 年、または 100 年) にわたって温室効果ガスによって引き起こされる世界の_平均表面温度の上昇を推定します。^{[ 30 ]} 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。^{[ 5 ]} GTP は、GWP と同じ IPCC 表に掲載されています。^{[ 30 ]}

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、GWP*（「GWPスター」と発音される^{[ 31 ]} ）と呼ばれる別の指標が提案されている。SLCPの排出率の恒久的な増加は、二酸化炭素の一定量の一回限りの排出と同様の効果をもたらす。どちらも放射強制力を恒久的に、または（二酸化炭素の場合は）実質的に恒久的に増加させる（CO2は長期間_大気中に留まるため）。したがって、GWP*はSLCPの排出率の増加に、想定される同等の量（トン）のCO2を_{割り当てる}。^{[ 32 ]}しかし、GWP*は、指標としての適切性と、不公平や不平等を永続させる可能性のある固有の設計上の特徴の両方について批判されている。 SLCPの排出量が増加している発展途上国は「罰せられる」一方、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_の排出量で罰せられる可能性があるものの、この方法では罰せられない。^{[ 33 ] [ 34 ] [ 31 ]} 42人の科学者が署名した声明では、「総温暖化ではなく、時間の経過に伴う温暖化の変化のみに焦点を当てることで、GWP*と「追加的な温暖化なし」の不適切な適用により、現在のメタン排出量が既得権益として認められる」ため、「主要なメタン排出国が大量の温室効果ガスを生産し続けることができる」と述べている。 ^{[ 35 ]}この声明では、このアプローチは、メタン排出による地球温暖化の影響を削減するのではなく安定化させることを目的とした、メタン排出量の多い国によるメタン削減目標の弱体化を促進する可能性があると警告している。これはしばしば「温度中立」または「追加的な温暖化なし」目標と呼ばれる。^{[ 35 ]}

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寿命の両方に依存します。GWPは、同じ質量のCO2_を基準として測定され、特定の時間スケールで評価されます。^{[ 37 ]}したがって、ガスが高い（正の）放射強制力を持つが寿命が短い場合、20年のスケールではGWPは大きくなりますが、100年のスケールでは小さくなります。逆に、分子の大気中寿命が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。

メタンの大気中寿命は 12 ± 2 年です。^{[ 38 ] :表 7.15} 2021 年のIPCC報告書では、GWP は 20 年で 83、100 年で 30、500 年で 10 とされています。^{[ 38 ] :表 7.15}時間が長くなるにつれて 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CO ₂に分解されるためです。同様に、3 番目に重要な GHG である亜酸化窒素(N _{2 O) は、}窒素循環の脱窒部分から放出される一般的なガスです。^{[ 39 ]}寿命は 109 年で、20 年と 100 年で GWP レベルはさらに高く 273 です。

いくつかの温室効果ガスの大気中寿命とCO2に対するGWPの例を以下の表に示します（IPCC第6次評価報告書、2021年）_。

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。 ^{[ 38 ]}

IPCCはここに示されていない他の多くの物質をリストアップしている。^{[ 30 ] [ 38 ] [ 42 ]}中にはGWPが高いが大気中の濃度が低いものもある。

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。ある物質から別の物質への変換によって、異なる比率が生じます。たとえば、メタンを二酸化炭素に燃焼させると地球温暖化の影響は減少しますが、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、25:1 より小さい係数になります(比率 1:2.74)。^{[ 43 ]} GWP が 25 のメタン 1 トンを起点とした場合、燃焼後には 2.74 トンのCO ₂が発生し、各トンの GWP は 1 になります。これは、GWP が 22.26 トン正味減少し、地球温暖化の影響が 25:2.74 (約 9 分の 1) の比率で減少することを意味します。

• 炭素会計
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• 米国環境保護庁（EPA）による地球温暖化係数と大気寿命のリスト
• GWPとCO2e_の様々な意味について解説