温室効果ガス

温室効果ガス（GHG ）は、地球などの惑星の表面温度を上昇させる大気中のガスです。他のガスと異なるのは、温室効果ガスは惑星が放射する放射線の波長を吸収し、温室効果をもたらすことです。^[1]地球は太陽光によって温められ、表面から熱が放射されますが、そのほとんどは温室効果ガスに吸収されます。大気中に温室効果ガスがなければ、地球表面の平均気温は現在の平均15℃（59℉）ではなく、約-18℃（0℉）になります。^{[2] [ 4]}

地球の大気中に最も多く存在する温室効果ガス5つは、平均全球モル分率の降順で並べると、次の通りである。^{[5] [6]} 水蒸気、二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素、オゾン。その他の懸念される温室効果ガスには、クロロフルオロカーボン（CFCおよびHCFC）、ハイドロフルオロカーボン（HFC）、パーフルオロカーボン、SF
₆、およびNF
₃水蒸気は温室効果の約半分を引き起こし、気候変動のフィードバックとして他のガスに反応して作用します。^[7]

産業革命の始まり（1750年頃）以来の人間の活動により、二酸化炭素は50％以上増加し、^[8]メタンレベルは150％増加しました。^[9]二酸化炭素排出は地球温暖化の約4分の3を引き起こし、メタン排出は残りの大部分を引き起こしています。^{[10]人間による}二酸化炭素排出の大部分は化石燃料の燃焼によるもので、^[11]残りは農業と工業によるものです。^{[12] ：687} メタンの排出は、農業、化石燃料生産、廃棄物、その他の発生源に起因します。^[13]炭素循環では、大気からCO2を完全に吸収するのに数千年かかりますが、_[ 14 ^]メタンは平均してわずか12年しか大気中に残りません。^[15]

炭素の自然な流れは、大気、陸上生態系、海洋、堆積物の間で起こります。これらの流れは過去100万年間にわたってかなりバランスが取れていましたが^{[16] 、温室効果ガスのレベルは}より遠い過去に大きく変動しました。二酸化炭素レベルは現在、300万年間で最も高くなっています。^[17]現在の排出率が続くと、地球温暖化は2040年から2070年の間に2.0°C（3.6°F）を超えることになります。これは、気候変動に関する政府間パネル（IPCC）が「危険」としているレベルです。^[18]

温室効果ガスは赤外線活性であり、地球の表面、雲、大気から放射されるものと同じ長波長範囲の赤外線を吸収および放射する。 ^{[19] : 2233}

地球の乾燥した大気（水蒸気を除く）の99％は窒素（N
₂) (78%) と酸素( O
₂) (21%)。これらの分子には同じ元素の原子が 2 つ含まれているため、電荷分布に非対称性がなく^[20]、赤外線熱放射の影響をほとんど受けず^{[21] 、}衝突誘起吸収の影響はごくわずかである。[ ^{22] [23] [24]さらに、大気の 0.9% は}アルゴン(Ar)で構成されており、これは単原子であるため、熱放射に対して完全に透明です。一方、二酸化炭素(0.04%)、メタン、亜酸化窒素、およびそれよりも少ない微量ガスは、地球の大気の 0.1% 未満を占めていますが、これらの分子には異なる元素の原子が含まれているため、電荷分布に非対称性があり、分子振動が電磁放射と相互作用することができます。そのため、これらのガスは赤外線活性であり、そのためこれらのガスが存在すると温室効果が発生します。^[20]

地球は太陽から受け取る放射エネルギーの一部を吸収し、その一部を光として反射し、残りを熱として宇宙に反射または放射します。惑星の表面温度は、入ってくるエネルギーと出ていくエネルギーのこのバランスによって決まります。地球のエネルギーバランスが変化すると、その表面は暖かくなったり冷たくなったりして、地球の気候にさまざまな変化をもたらします。^[25] 放射強制力は、ワット/平方メートルで計算される指標で、気候に影響を与える要因の外部変化の影響を特徴付けます。これは、そのような外部変化によって直接引き起こされる大気圏上端 (TOA) のエネルギーバランスの差として計算されます。温室効果ガスの濃度増加などによる正の強制力は、大気圏上端に到達するエネルギーが放出するエネルギーよりも多くなることを意味し、これによりさらなる温暖化が引き起こされます。一方、二酸化硫黄から大気中に形成される硫酸塩などによる負の強制力は、冷却につながります。^{[19] : 2245  [26]}

下層大気では、温室効果ガスが地表と熱放射を交換し、地表からの放射熱の流れを制限するため、上向きの放射熱伝達の全体的な速度が低下します。^{[27] : 139  [28]}温室効果ガスの濃度が上昇すると上層大気も冷却されます。上層大気は下層よりもはるかに薄く、温室効果ガスから再放出された熱は上層のガス分子と相互作用するよりも宇宙空間に遠くまで移動する可能性が高いためです。その結果、上層大気も縮小しています。^[29]

自然の温室効果に対する人為的な変化は、増強された温室効果と呼ばれることもあります。^{[19] : 2223}

この表は、全体的な温室効果に対する最も重要な寄与を示しています。これがなければ、地球の表面の平均気温は約15℃（59℉） ^{[ 3]}ではなく、約-18℃（0℉）[2]になります。この表では、成層圏 オゾンについても言及しています。このガスは成層圏では冷却効果がありますが、対流圏では亜酸化窒素やCFCに匹敵する温暖化効果があるためです。^[30]

水蒸気は、温室効果の41～67%を占める最も重要な温室効果ガスである^{[31] [32]}が、その地球規模の濃度は人間の活動によって直接影響を受けることはない。局所的な水蒸気濃度は灌漑などの開発によって影響を受ける可能性があるが、滞留時間が約9日間と短いため、地球規模ではほとんど影響がない。 ^[34]間接的には、地球全体の気温上昇によって水蒸気濃度も上昇し、その結果、温暖化効果が高まり、水蒸気フィードバックと呼ばれるプロセスが発生する。これは、クラウジウス・クラペイロンの関係により、気温が上昇すると単位体積あたりに存在する水蒸気量が増えることが証明されているためである。^[35]したがって、局所的な大気中の水蒸気濃度は、極寒地域では0.01%未満から、約32℃の飽和空気では質量比で最大3%まで変化する。^[36]

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）、一定期間内にそのガスが赤外線 熱放射をどれだけ吸収するかを測定する指標である。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る。^{[37] : 2232}これは、基準ガスとして採用された同じ質量の二酸化炭素（CO2 _）が吸収する放射の倍数として表される。したがって、 _CO2の場合、GWPの値は1である。他のガスの場合、その値は、ガスが赤外線熱放射をどれだけ強く吸収するか、ガスが大気中からどれだけ速く放出されるか、および考慮される時間枠によって決まる。

例えば、メタンの20年間のGWP（GWP-20）は81.2 ^[38]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。^{[38] ：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。

各ガスの温室効果増大への寄与は、そのガスの特性、存在量、およびそれが引き起こす可能性のある間接的影響によって決まります。たとえば、20年間の期間で、メタンの直接的な放射効果は同じ質量の二酸化炭素の約84倍強力です。^{[42] 1980年代以降、温室効果ガスの強制寄与（1750年を基準）も、}放射伝達モデル から導き出されたIPCC推奨の式を使用して高精度で推定されています。^[43]

温室効果ガスの濃度は、通常、体積当たりの百万分率（ _ppm）または十億分率（ppb）で測定されます。CO2濃度が420 ppmの場合_、空気中の百万分子のうち420個がCO2分子であることを意味します_。CO2濃度の最初の30 ppmの増加は、産業革命の開始から1958年までの約200年間に発生しました。しかし、次の90 ppmの増加は、1958年から2014年までの56年間に発生しました。^{[8] [44] [45]}同様に、1960年代の平均年間増加は、2000年から2007年の37%に過ぎませんでした。^[46]

多くの観測結果は、さまざまな大気化学観測データベースでオンラインで入手できます。下の表は、気候変動に関する政府間パネル（IPCC）によって特定された、最も影響力のある長寿命でよく混合された温室効果ガスと、その対流圏濃度および直接的な放射強制力を示しています。^{[47]これらの}微量ガス の存在量は、世界中で収集されたサンプルから大気科学者によって定期的に測定されています。^{[48] [49] [50]}水蒸気は除外されています。水蒸気の濃度の変化は、他の温室効果ガスやオゾンの変化によって間接的に引き起こされる気候変動のフィードバックとして計算されるためです。オゾンの濃度は、オゾン層の破壊を引き起こすさまざまな冷媒によって間接的にのみ変更されます。また、一部の短寿命ガス（一酸化炭素、NOxなど）やエアロゾル（鉱物粉塵や黒色炭素など）も、役割が限られており変動が大きいため除外されている。また、表に記載されている量よりも少量で大量生産されている微量冷媒やその他のハロゲン化ガスも除外されている。^{[47] ：731–738}および2021年IPCC WG1報告書の附属書III ^{[51] ：4–9}

^a モル分率：μmol/mol = ppm = 百万分の1（10 ⁶）；nmol/mol = ppb = 十億分の1（10 ⁹）；pmol/mol = ppt = 兆分の1（10 ¹²）。

A IPCCは、CO2について「単一の大気寿命を与えることはできない」と述べています_。 [ 47 ] ^{: 731} これは主に、化石炭素の地質学的抽出と燃焼による地球の炭素循環への撹乱の急速な増加と累積的な規模によるものです。 ^[56] 2014年時点で、既存の大気濃度に加えて理論上10～100 GtCのパルスとして放出される化石CO2は、AR5評価で参照されている結合モデルの予測に基づくと、約1世紀以内に陸上の植生と海洋の吸収源によって50％除去されると予想さ_れました。 [ ^57]また、かなりの割合（20～35％）が数世紀から数千年にわたって大気中に残留すると予測されており、パルスのサイズに応じて部分的な持続性が増加します。^{[58] [59]}

B 値は1750年を基準としている。AR6は大気と地表の急速な変化の影響を含む実効放射強制力を報告している。 ^[60]

大気中の濃度は、発生源（人間の活動や自然システムからのガスの排出）と吸収源（別の化学物質への変換や水域による吸収によって大気からガスが除去されること）のバランスによって決まります。^{[61] : 512}

一定時間後に大気中に残留する排出物の割合は「大気中分率」（AF）である。年間大気中分率は、ある年における大気中増加量とその年の総排出量の比率である。CO2の年間大気中分率は、_排出量が増加しているにもかかわらず、過去60年間0.45で安定していた。これは、排出されたCO2の残りの0.55が、排出後1年以内に陸地と大気の炭素吸収源によって吸収されることを意味する_。 [ ^56]高排出シナリオでは、炭素吸収源の有効性が低下し、吸収される排出量が現在よりも多くなるにもかかわらず、大気中のCO2分率は増加する。_[ ^{62] : 746}

主要な温室効果ガスはよく混合されており、大気圏から消えるまでには何年もかかります。^[64]

温室効果ガスの大気寿命とは、大気中の濃度が急激に増加または減少した後に平衡状態を回復するのに必要な時間を指します。個々の原子または分子は、土壌、海洋、その他の水、または植物やその他の生物系などのシンクに失われたり堆積したりして、過剰濃度を背景濃度まで下げます。これを達成するのにかかる平均時間が平均寿命です。これは次の式で表すことができます。ここで、1ボックスモデルにおける大気中の種Xの寿命は、Xの分子がボックス内に留まる平均時間です。^[65]${\displaystyle \tau}$

${\displaystyle \tau}$は、ボックス内のXの質量（kg）と除去速度（ボックスからのXの流量（）、Xの化学的損失（）、およびXの堆積（ ）の合計（すべてkg/s））の比として定義することもできます。 ${\displaystyle m}$${\displaystyle F_{\text{out}}}$${\displaystyle L}$${\displaystyle D}$

${\displaystyle \tau ={\frac {m}{F_{\text{out}}+L+D}}}$. ^[65]

このガスのボックスへの入力が停止すると、時間経過後にその濃度は約 63% 減少します。 ${\displaystyle \tau}$

これらの変数のいずれかが変化すると、温室効果ガスの大気寿命が変化する可能性があります。たとえば、メタンの大気寿命は、19 世紀には現在よりも短かったと推定されていますが、20 世紀後半には 2000 年以降よりも長かったと推定されています。 ^[63]二酸化炭素の寿命はさらに変動が大きく、単一の数値で特定することはできません。^{[66] [42] [19] : 2237}科学者は、二酸化炭素の大気中分率の最初の 10% (排出後 1 年以内に陸地と海洋の吸収源に吸収される約 50% は除く) は「すぐに」除去される一方で、大気中分率の大部分 (80%) は「数世紀から数千年」持続すると述べています。残りの 10% は数万年も残ります。一部のモデルでは、この最も長く持続する分率は 30% にもなります。^{[67] [68]}

2023年の推定では、現在の大気中の二酸化炭素濃度は過去1400万年で最高になる可能性があることが判明しました。^[69]しかし、IPCC第6次評価報告書では、300万年から330万年前の中期鮮新世温暖期に同様のレベルが推定されました。この期間は、現在の_CO2レベルでの気候結果の可能性のある代替指標となり得ます。^{[70] : 図2.34}

二酸化炭素は、45億4千万年の歴史を通じて、地球の気温を調節する上で重要な役割を果たしてきたと考えられている。地球誕生当初、太陽の放射量は現在の70%に過ぎなかったと考えられているにもかかわらず、科学者たちは地球が温暖であったことを示す液体の水の証拠を発見した。初期の地球の大気中の二酸化炭素濃度が高かったことが、この若い太陽の弱いパラドックスを説明するのに役立つかもしれない。地球が最初に形成されたとき、地球の大気には温室効果ガスが多く含まれていた可能性があり、二酸化炭素_濃度はより高く、推定分圧は1,000 kPa (10  bar )にも 達した可能性がある。これは、ガスを炭素化合物と酸素に還元する細菌の光合成がなかったためである。非常に活発な温室効果ガスであるメタンも、より多く存在していた可能性がある。^{[71] [72]}

温室効果ガスのモニタリングには、大気中の濃度の直接測定と、温室効果ガス排出量の直接的および間接的な測定が含まれます。間接的な方法では、化石燃料の抽出などの関連指標に基づいて温室効果ガスの排出量を計算します。^[56]

大気中の二酸化炭素濃度を測定する方法はいくつかあり、赤外線分析法やマノメトリー法などがあります。^[73]メタンと亜酸化窒素は、距離分解型赤外線差分吸収ライダー（DIAL）などの他の機器で測定されます。^{[74]温室効果ガスは} 、軌道上炭素観測所などの宇宙から、また統合炭素観測システムなどの地上局のネットワークを通じて測定されます。^[56]

年間温室効果ガス指数 (AGGI) は、NOAAの大気科学者によって、十分な地球規模の測定が存在する任意の年における長寿命でよく混合された温室効果ガスによる総直接放射強制力と 1990 年の放射強制力の比率として定義されています。 ^{[41] [75]これらの放射強制力レベルは、1750 年 (つまり}産業革命の開始前) の放射強制力レベルを基準にしています。1990 年が選ばれたのは、京都議定書の基準年であり、IPCC の最初の気候変動に関する科学的評価が発表された年だからです。そのため、NOAA は、AGGI は「(地球) 社会が変化する気候の中で生活するために既に行っている取り組みを測定するものです。これは、世界中の場所からの最高品質の大気観測に基づいています。その不確実性は非常に低いです。」と述べています。^[76]

大気、海洋、陸上生態系、堆積物の間での炭素の自然な流れはかなりバランスが取れているため、人間の影響がなければ炭素レベルはほぼ安定している。^{[81] [82]二酸化炭素は主に}光合成によって大気から除去され、陸上および海洋の生物圏に入ります。二酸化炭素は大気から直接水域（海洋、湖など）に溶解するほか、雨滴が大気中を落下する際に降水に溶解する。水に溶解すると、二酸化炭素は水分子と反応して炭酸を形成し、これが海洋の酸性化に寄与する。その後、風化によって岩石に吸収される。また、接触した他の表面を酸性化したり、海に流入したりすることもある。^[83]

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、大気中と大気外で2000億トン以上の炭素（ギガトン炭素またはGtC）の交換を支えています。 ^{[85]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。^[86]

人間による二酸化炭素排出の大部分は化石燃料の燃焼によるものです。セメント製造、肥料生産、森林伐採などの土地利用の変化も排出の原因となります。^{[12] : 687  [11] [87]}メタンの排出は農業、化石燃料生産、廃棄物、その他の発生源に起因します。 ^[13]

現在の排出率が続けば、気温上昇は2040年から2070年の間に2.0℃（3.6℉）を超えることになるが、これは国連の気候変動に関する政府間パネル（IPCC）が「危険」としている水準である。^[18]

温室効果ガスのほとんどは、自然発生源と人為発生源の両方を持っています。例外は、自然発生源を持たない、純粋に人間が作り出した合成ハロカーボンです。産業革命以前の完新世には、大規模な自然発生源と吸収源がほぼ均衡していたため、既存のガスの濃度はほぼ一定でした。産業革命時代では、主に化石燃料の燃焼と森林伐採を通じて、人間の活動によって大気中に温室効果ガスが追加されました。^{[88] [4] : 115}

UNEPによる年次「排出ギャップ報告書」は、2022年に排出量をほぼ半減させる必要があると述べた。「地球温暖化を1.5°Cに抑える軌道に乗るには、わずか8年で世界の年間温室効果ガス排出量を、現在実施されている政策による排出量予測と比較して45％削減する必要があり、限られた残りの大気中の炭素予算を使い果たさないように、2030年以降も急速に減少し続けなければならない。」^{[96] : xvi}報告書は、世界は段階的な変化ではなく、経済全体にわたる広範な変革に焦点を当てるべきであるとコメントした。^{[96] : xvi}

2022年、気候変動に関する政府間パネル（IPCC）は気候変動に関する第6次評価報告書を発表した。報告書は、地球温暖化を1.5℃（2.7℉）に抑えるには、温室効果ガス排出量が遅くとも2025年までにピークに達し、2030年までに43％減少する必要があると警告した。^{[97] [98]}あるいは、国連事務総長アントニオ・グテーレスの言葉を借りれば、「主要排出国は今年から排出量を大幅に削減しなければならない」。^[99]

大気から温室効果ガスの排出を除去する技術は数多くある。最も広く分析されているのは、二酸化炭素を大気から除去する技術であり、炭素回収・貯留によるバイオエネルギーや二酸化炭素の空気回収など地質構造物に除去するか、^バイオ炭の場合のように土壌に除去する。^[100]多くの長期気候シナリオモデルでは、深刻な気候変動を回避するために大規模な人為的負の排出が必要である。^[101]

大気中のメタンについては、大気メタン除去と呼ばれるネガティブエミッションアプローチも研究されています。^[102]

19世紀後半、科学者たちは実験的にN
₂とO
₂赤外線（当時は「暗黒放射」と呼ばれていた）を吸収しないが、水（真の蒸気と雲の中に浮かぶ微小な液滴の形で凝縮したものの両方）と二酸化炭素_およびその他の多原子気体分子は赤外線を吸収する。^{[104] [105] 20世紀初頭、研究者は大気中の温室効果ガスが地球全体の気温を、それらがない場合よりも高くしていることに気づいた。}温室効果という用語は、1901年にニルス・グスタフ・エクホルムによって初めてこの現象に適用された。 ^{[106] [107]}

20世紀後半には、大気中の温室効果ガス濃度の上昇が地球の気温の大幅な上昇や気候システムの他の部分の変化を引き起こし、^[108]環境と人間の健康に影響を与えるという科学的コンセンサスが形成されました。

温室効果ガスは多くの大気中に存在し、火星、タイタン、特に金星の厚い大気に温室効果を生み出している。^{[109]金星は}暴走温室効果の究極の終焉状態と言われているが、そのようなプロセスは、人間が引き起こした温室効果ガス濃度の増加によって発生する可能性はほとんどない。^[110]太陽の明るさが低すぎるため、数十パーセントの増加が必要になる可能性があり、それには数十億年かかる。^[111]

• 炭素会計 – 二酸化炭素換算排出量を測定するために使用されるプロセス
• 炭素予算 – 特定の気候影響に対する二酸化炭素排出量の制限
• 炭素隔離 – 炭素プールに炭素を貯蔵する
• 気候変動に関するフィードバック – 気候変動に関するフィードバックリダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• 温室効果ガスモニタリング – 温室効果ガスの排出量とレベルの測定
• 温室効果ガスインベントリ – 温室効果ガスの排出量インベントリ

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• ウィキメディア・コモンズの温室効果ガス関連メディア
• 二酸化炭素情報分析センター（CDIAC）、米国エネルギー省、 2020年7月26日閲覧
• NOAA の年間温室効果ガス指数 (AGGI)
• 温室効果ガスおよびその他の微量ガスの大気スペクトル。Wayback Machineに 2013 年 3 月 25 日にアーカイブされました。