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キーリング曲線は、ハワイ島のマウナロア観測所で1958年から現在まで継続的に測定されたデータに基づき、地球の大気中の二酸化炭素の年間変動と総蓄積量を示したグラフです。この曲線は、モニタリングプログラムを開始し、2005年に亡くなるまで監督した科学者チャールズ・デイビッド・キーリングにちなんで名付けられました。
キーリングの測定は、大気中の二酸化炭素（CO₂ ）濃度が急速に上昇していることを示す最初の重要な証拠となった。 [ 1 ]ハーバード大学の科学史教授であるナオミ・オレスケス によれば、キーリング曲線は20世紀で最も重要な科学的業績の1つである。[ 2 ]多くの科学者は、大気中のCO₂の現在の増加に世界の注目を集めたのはキーリング曲線のおかげだと考えている。[ 3 ]
1950年代以前は、大気中のCO2濃度はさまざまな場所で臨時に測定されていました。1938年、エンジニアでアマチュア気象学者のガイ・スチュワート・カレンダーは、1898年から1901年にかけてキューで測定された大気中のCO2のデータセット（平均274 ppm）[ 4 ]と、1936年から1938年にかけて米国東部で測定されたデータセット（平均310 ppm ）を比較し、CO2濃度は人為的な排出によって上昇していると結論付けました。[ 5 ]しかし、カレンダーの発見は、測定が断片的であったため、科学界では広く受け入れられませんでした。[ 6 ] [ 7 ]
カリフォルニア大学サンディエゴ校スクリップス海洋研究所のチャールズ・デイビッド・キーリングは、 1958年3月以降、南極大陸とハワイのマウナロアで大気中のCO2濃度を頻繁に定期的に測定した最初の人物である。 [ 8 ]キーリングは、それ以前にモントレー近郊のビッグサー、ワシントン州オリンピック半島の熱帯雨林、アリゾナ州の高山林などの場所で測定技術をテストし、使用していた。[ 1 ]彼は、植物や土壌の呼吸により夜間にCO2が過剰になり、午後の値は北半球の「自由大気」を代表する値となる、CO2の強い日周変動を観察した。[ 1 ]
1957年から1958年の国際地球観測年に、キーリングは気象局から資金を得て、南極やハワイ島のマウナロア火山など遠隔地に赤外線ガス分析装置を設置した。マウナロアは、大陸から遠く離れた遠隔地であり、植生がないため、長期モニタリング地点として選ばれた。キーリングと彼の協力者たちは、火山噴火口からの局所的な汚染を最小限に抑えるため、逆転層より上の海風を測定した。 [ 8 ]データは、局所的な汚染の影響を取り除くために正規化された。1960年代半ばの資金削減により、キーリングは南極での継続的なモニタリング活動を断念せざるを得なかったが、マウナロア観測所の運営を維持するのに十分な資金をかき集め、それは今日まで続いている。[ 9 ]
キーリングの1960年のテルス誌の記事は、マウナロアと南極大陸からの最初の月ごとのCO2記録（1957年から1960年）を発表し、「明確な季節サイクル…そしておそらく、 CO2の世界的な年々の増加」を発見した。[ 10 ] [ 9 ]： 41-42 1970年代までには、大気中の二酸化炭素の増加が進行中であり、人為的な排出によるものであることが十分に確立されていた。[ 11 ] [ 12 ]
ハワイのマウナロア観測所での二酸化炭素測定は、現在では非分散型赤外線センサーとして知られる赤外線分光光度計の一種で行われ、世界気象機関の基準を使用して校正されています。[ 13 ]この種の機器は、元々はカプノグラフと呼ばれ、1864 年にジョン・ティンダルによって初めて発明され、ストリップチャート記録計にペンでトレースして記録されました。[ 14 ]現在、スクリップス海洋研究所では、赤外線分光光度計と同時に稼働するレーザーベースのセンサーがいくつか追加されていますが、NOAAのマウナロアでの測定では、依然として非分散型赤外線センサーが使用されています。
マウナロア観測所で収集された測定値は、平均大気CO2濃度が1958年3月の体積百万分率（ppm）313から2018年11月の406ppmまで着実に増加していることを示しており[ 15 ] 、現在の増加率は年間2.48±0.26（平均±2標準偏差）ppm CO2である[ 16 ] 。この大気CO2の増加は化石燃料の燃焼によるものであり、近年加速している。CO2は温室効果ガスであるため、これは地球温暖化に重大な影響を与える。極地の氷床コアに閉じ込められた古代の気泡中のCO2濃度の測定によると、平均大気CO2濃度は完新世（紀元前9000年以降）の間は275～285ppmであったが、19世紀初頭に急激に上昇し始めた[ 17 ] 。
キーリング曲線は、世界の陸上植生によるCO 2の吸収の季節変化に対応して、毎年約 6 ppmの周期的な変動も示しています。この植生のほとんどは北半球にあり、陸地の大部分も北半球に位置しています。5 月に最大となった後、北半球の春と夏には、新しい植物の成長が光合成によって大気からCO 2を取り込むため、レベルは低下します。9 月に最小値に達した後、北半球の秋と冬には、植物や葉が枯れて分解し、 CO 2が大気中に放出されるため、レベルは再び上昇します。 [ 10 ] [ 12 ]
キーリングの研究結果の重要性もあって、[ 9 ] NOAA は1970 年代に世界中でCO 2レベルの監視を開始しました。 [ 18 ]現在、大気中の CO 2レベルは、グローバル温室効果ガス基準ネットワークを通じて、世界中の約 100 か所で監視されています。[ 19 ]他の多くの孤立した場所での測定は、キーリング曲線によって示された長期的な傾向を確認していますが、[ 20 ]マウナロアほど長い記録を持つ場所はありません。[ 21 ]
統合炭素観測システムは、ヨーロッパ全土の38のモニタリングサイトからキーリング曲線に似た曲線でデータを収集します。これは「ICOS曲線」と呼ばれています。[ 22 ]ヨーロッパは人口密度が高く、依然として高濃度のCO2を排出しているため、平均CO2濃度は世界平均よりもわずかに高くなっています。[ 23 ]
2005年にチャールズ・デイビッド・キーリングが亡くなって以来、プロジェクトの責任と監督はキーリングの息子、ラルフ・キーリングに引き継がれた。プロジェクト開始50周年に、若い方のキーリングはサイエンス誌に記事を寄稿し、父親の生涯と業績、そしてプロジェクトが時間の経過とともにどのように成長し進化してきたかを説明した。[ 24 ]地球のCO2濃度を監視するプロジェクトのためのより精密な測定材料と資金とともに、キーリングは父親の業績に対する誇りと、父親の記憶を継承してそれをどのように続けてきたかについて書いた。
2015年、キーリング曲線はアメリカ化学会によって国家歴史化学ランドマークに指定されました。[ 25 ]記念銘板はマウナロア天文台とカリフォルニア大学サンディエゴ校のスクリップス海洋研究所に設置されました。
2013年5月9日、マウナロアで測定された大気中の二酸化炭素の日平均濃度は400ppmを超えました。[ 26 ]過去の地質時代の二酸化炭素濃度の推定値によると、二酸化炭素濃度がこのレベルに達したのは200万年から400万年前の中期鮮新世以来のことです。[ 27 ]気候変動を引き起こすこのレベルの二酸化炭素は、温室効果ガスの排出量が大幅に削減されない限り、地球上の人間と動物の生息地をますます脅かす自然災害や生態系災害の悪化が続くことを示唆しています。
キーリングプロットは、 δ 13 C（炭素同位体比）（y軸）の変動をCO 2濃度の逆数（1/[ CO 2 ]）（x軸）に対してプロットしたグラフ表現であり、生態系内の炭素の供給源と吸収源を特定したり、古気候研究[ 28 ]や炭素循環研究[ 29 ]に使用されます。