温室効果ガス

温室効果ガス（GHG ）は、大気中で熱を閉じ込め、地球などの天体の表面温度を上昇させるガスです。他のガスとは異なり、温室効果ガスは惑星が放出する放射線を吸収し、温室効果を引き起こします。^{[ 1 ]}地球は太陽光によって温められ、その表面から熱が放射されますが、その熱は主に温室効果ガスによって吸収されます。大気中に温室効果ガスがなければ、地球の表面の平均温度は約-18 ℃（0 °F）^{[ 2 ]}であり、現在の平均15 ℃（59 °F）^{[ 3 ] [ 4 ]}ではありません。人為的な温暖化は、測定が始まって以来、前例のない速度で増加しており、2015年から2024年にかけて10年あたり0.27±0.1℃に達しています。この高い温暖化率は、過去10年間（2014～2023年）の温室効果ガス排出量が年間53.6±5.2 Gt CO2eと過去最高を記録した ことと、エアロゾル冷却の強度が低下したことが複合的に作用した結果である。^{[ 5 ]}     

地球の大気中に存在する温室効果ガス上位5種は、世界平均モル分率の降順で、水蒸気、二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素、オゾンである。 ^{[ 6 ] [ 7 ]}その他、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、SF6などがある。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。 ^{[ 8 ]}

産業革命の開始（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^{[ 9 ]}、メタン濃度は 150% 増加しました^{[ 10 ]} 。二酸化炭素の排出は地球温暖化の約 4 分の 3 の原因であり、残りのほとんどはメタンの排出によるものです^{[ 11 ]} 。人間による二酸化炭素の排出の大部分は化石燃料の燃焼によるものであり^{[ 12 ]}、残りは農業と産業によるものです[ ^{13 ] : 687メタン}の排出は、農業、化石燃料の生産、廃棄物、その他の発生源から生じます^{[ 14 ]} 。炭素循環が大気中のCO _{2 を}完全に吸収するには数千年かかりますが^{[ 15 ]} 、メタンは平均してわずか 12 年しか大気中に留まりません^{[ 16 ]。}

大気、陸上生態系、海洋、堆積物の間では^、炭素の自然な流れが起こっています。これらの流れは過去 100 万年にわたってほぼ均衡していましたが、^温室効果ガスのレベルはそれよりはるか昔に大きく変動していました。二酸化炭素のレベルは現在^、過去 300 万年で最高となっています。^{[ 18 ]} 2023 年の主要指標の年次更新では、人為的な気温上昇、温室効果ガス濃度、地球のエネルギー不均衡がすべて新記録に達したことが明らかになっています。^{[ 19 ]}現在の排出率が続けば、地球温暖化は 2040 年から 2070 年の間に2.0 °C (3.6 °F)を超えるでしょう。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。^{[ 20 ]}  

温室効果ガスは赤外線活性であり、地球の表面、雲、大気から放出されるものと同じ長波長域の赤外線を吸収および放出する。 ^{[ 21 ]： 2233}

地球の乾燥大気（水蒸気を除く）の99％は窒素（N）で構成されている。₂ ) (78%) および酸素(O₂ ) (21%)。これらの分子は同じ元素の原子を2つ含んでいる電荷の分布に非対称性がなく、 ^{[ 22 ]}赤外線熱放射の影響をほとんど受けず、 ^{[ 23 ]}衝突誘起吸収による影響は極めて小さい。 ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}大気のさらに0.9%はアルゴン(Ar)で構成されており、これは単原子分子でため、熱放射に対して完全に透明である。一方、二酸化炭素(0.04%)、メタン、亜酸化窒素、さらに微量ガスは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温室効果を引き起こす。 ^{[ 22 ]}

放射強制力

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、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、この入射エネルギーと出射エネルギーのバランスに依存します。地球のエネルギーバランスが変化すると、表面が暖かくなったり冷たくなったりして、地球規模の気候にさまざまな変化が生じます。^{[ 28 ]}放射強制力は、ワット毎平方メートルで計算される指標であり、気候に影響を与える要因の外部変化の影響を特徴づけます。これは、そのような外部変化によって直ちに引き起こされる大気上端 (TOA) 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、大気上端で放出されるエネルギーよりも到着するエネルギーが多いことを意味し、さらなる温暖化を引き起こします。一方、二酸化硫黄から大気中で生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。^{[ 21 ] : 2245 [ 29 ]}

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、上方への放射熱伝達の全体的な速度が低下します。^{[ 30 ] : 139 [ 31 ]}温室効果ガスの濃度の上昇は、上層大気も冷却します。上層大気は下層よりもはるかに薄いため、温室効果ガスから再放出された熱は、上層のより少ない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くなります。その結果、上層大気も縮小しています。^{[ 32 ]}

人為的な変化によってもたらされる自然の温室効果は、時に「増強された温室効果」と呼ばれる。^{[ 21 ]： 2223}

この表は、地球表面の平均気温が約15 °C (59 °F)ではなく、約-18 °C (0 ° F) になるであろう温室効果全体への最も重要な寄与を示しています。^{[ 2 ] [ 3 ]}この表では、成層圏では冷却効果を持つが、対流圏では亜酸化窒素やCFCに匹敵する温暖化効果を持つ対流圏オゾンも明記しています。^{[ 33 ]}    

水蒸気の特別な役割

水蒸気は全体として最も重要な温室効果ガスであり、温室効果の 41〜67% を占めていますが、^{[ 34 ] [ 35 ]}その地球規模での濃度は人間の活動によって直接影響を受けることはありません。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りますが、滞留時間が約 9 日と短いため、地球規模での影響はほとんどありません。 ^{[ 37 ]}間接的に、地球の気温の上昇は水蒸気濃度も増加させ、それによって温暖化効果も増加させます。これは水蒸気フィードバックと呼ばれるプロセスです。これは、クラウジウス・クラペイロンの関係式により、温度が高くなると単位体積あたりの水蒸気量が増加するためです。^{[ 38 ]}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 °C の飽和空気では質量比で 3% まで変化します 。^{[ 39 ]}

地球温暖化係数（GWP）とCO2_換算値

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。 ^{[ 40 ]： 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^{[ 41 ]。}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^{[ 41 ]： 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。

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な影響によって決まります。たとえば、1 質量のメタンの直接的な放射効果は、20 年間の時間枠で同じ質量の二酸化炭素の約 84 倍強力です。^{[ 44 ]} 1980 年代以降、温室効果ガスの強制力寄与 (1750 年を基準) は、放射伝達モデル から導出された IPCC 推奨の式を使用して高精度で推定されています。^{[ 45 ]}

温室効果ガスの濃度は、通常、体積比で百万分率(ppm) または十億分率(ppb) で測定されます。 CO ₂濃度が 420 ppm ということは、空気分子 100 万個のうち 420 個がCO _{2分子であることを意味します。} CO ₂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 年で発生しましたが、次の 90 ppm の増加は 1958 年から 2014 年までの 56 年以内に発生しました。^{[ 9 ] [ 46 ] [ 47 ]}同様に、1960 年代の年間平均増加率は、2000 年から 2007 年までの 37% に過ぎませんでした。^{[ 48 ]} 

さまざまな大気化学観測データベースで、多くの観測データがオンラインで入手可能です。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、それらの対流圏濃度および直接放射強制力を示しています。^{[ 49 ]} 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。^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]}水蒸気は、その濃度の変化が他の温室効果ガスの変化によって間接的に引き起こされる気候変動フィードバックとして計算されるため除外されています。また、オゾンも、その濃度がオゾン層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化するため除外されています。一部の短寿命ガス（一酸化炭素、NOxなど）やエアロゾル（鉱物粉塵やブラックカーボンなど）は、役割が限定的で変動が大きいため除外されています。また、表に記載されているものよりも少量で大量生産されているマイナー冷媒やその他のハロゲン化ガスも同様です。 ^{[ 49 ]： 731～738}、および2021年IPCC第1作業部会報告書の附属書III ^{[ 53 ]： 4～9}

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（別の化学化合物への変換や水域への吸収による大気からのガスの除去）のバランスによって決まる。^{[ 65 ]： 512}

空気感染率

一定期間後に大気中に残存する排出物の割合を「大気中残留率」（AF）と呼ぶ。年間大気中残留率は、ある年の大気中増加量をその年の総排出量で​​割った値である。CO₂の年間大気中残留率は、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。^{[ 59 ]}高排出シナリオでは、炭素吸収源の有効性が低下し、吸収される排出量の総量は現在よりも多くても、_CO₂の大気中残留率は増加する。 ^{[ 66 ]： 746}

大気中寿命

主要な温室効果ガスはよく混ざり合っており、大気から消えるまでに何年もかかる。^{[ 68 ]}

温室効果ガスの大気中寿命とは、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に戻るのに必要な時間を指します。個々の原子や分子は、土壌、海洋やその他の水域、植物やその他の生物系などのシンクに失われたり沈着したりして、過剰な濃度をバックグラウンド濃度まで減少させます。この状態に達するまでの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、ここで寿命は です。$\displaystyle \tau }$1ボックスモデルにおける大気種Xの滞留時間は、Xの分子がボックス内に留まる平均時間である。^{[ 69 ]}

$\displaystyle \tau }$質量の比率としても定義できる${\displaystyle m}$ボックス内の X の量 (kg) からボックスからの X の流出量 (${\displaystyle F_{\text{out}}}$) Xの化学的損失 (${\displaystyle L}$）、およびX の沈着(${\displaystyle D}$（すべてkg/s単位）：

$\displaystyle \tau ={\frac {m}{F_{\text{out}}+L+D}}}$[ ^{69 ]​}

このガスが箱の中に入らなくなったら、時間が経つと$\displaystyle \tau }$濃度は約63%減少するだろう。^{[ 70 ]}

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中寿命が変わる可能性があります。たとえば、メタンの大気中寿命は、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。^{[ 67 ]}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。^{[ 71 ] [ 44 ] [ 21 ] : 2237}科学者たちは、二酸化炭素の大気中成分の最初の 10% (排出後 1 年以内に陸地や海洋の吸収源に吸収される約 50% を除く) は「すぐに」除去される一方で、大気中成分の大部分 (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% は数万年持続します。一部のモデルでは、この最も長く持続する成分は 30% にもなります。^{[ 72 ] [ 73 ]}

地質学的時間スケールでは

2023年の推定では、現在の大気中の二酸化炭素濃度は過去1400万年間で最も高い可能性があることが判明した。^{[ 74 ]}しかし、IPCC第6次評価報告書は、中期鮮新世温暖期の300万～330万年前にも同様のレベルであったと推定している。この時期は、現在の_CO2濃度における気候結果の予測指標となり得る。^{[ 75 ]：図2.34}

二酸化炭素は、地球の45億4000万年の歴史を通じて、地球の温度調節に重要な役割を果たしてきたと考えられています。地球の初期には、太陽の放射量が現在の70%程度であったにもかかわらず、温暖な世界であったことを示す液体の水の証拠が科学者によって発見されています。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「若い太陽の微弱さ」というパラドックスを説明するのに役立つかもしれません。地球が最初に形成されたとき、地球の大気にはより多くの温室効果ガスが含まれており、二酸化炭素_濃度は高かったと考えられます。推定される分圧は1,000 kPa (10 bar )にも達しました。これは、ガスを炭素化合物と酸素に還元するバクテリアの光合成がなかったためです。非常に活性の高い温室効果ガスであるメタンも、より広く存在していた可能性があります。^{[ 76 ] [ 77 ]}  

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および間接測定が含まれます。間接的な方法では、化石燃料の採掘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。^{[ 59 ]}

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、赤外線分析やマノメトリーなどがある。^{[ 78 ]}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る。^{[ 79 ]}温室効果ガスは、軌道炭素観測衛星などの宇宙からの観測や、統合炭素観測システムなどの地上観測所のネットワークを通じて測定される。^{[ 59 ]}

年間温室効果ガス指数（AGGI）は、NOAAの大気科学者によって、適切な世界的測定が存在する任意の年の、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。^{[ 80 ] [ 81 ]}これらの放射強制力レベルは、1750年（つまり産業革命以前）の放射強制力に対する相対値です。1990年が選ばれたのは、京都議定書の基準年であり、気候変動に関するIPCCの最初の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「（地球規模の）社会がすでに気候変動の中で生活するために行っている取り組みを測定するものであり、世界中の地点からの最高品質の大気観測に基づいている。その不確実性は非常に低い」と述べています。^{[ 82 ]}

19世紀後半、科学者たちは実験的にNを発見した。₂とO_{2 は}赤外線（当時「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遊する微細な液滴の形で凝縮したものの両方）とCO₂およびその他の多原子ガス分子は赤外線を吸収する。 ^{[ 108 ] [ 109 ]} 20 世紀初頭、研究者たちは、大気中の温室効果ガスが地球全体の温度を温室効果ガスがない場合よりも高くしていることに気づいた。温室1901 年にニルス・グスタフ・エクホルムによってこの現象に初めて適用された^{。 [ 110 ] [ 111 ]}

20世紀後半には、大気中の温室効果ガスの濃度の上昇が地球の気温の大幅な上昇と気候システムの他の部分の変化を引き起こし、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^{[ 112 ]}。

温室効果ガスは多くの大気中に存在し、火星、タイタン、そして特に金星の厚い大気で温室効果を生み出しています。^{[ 113 ]}金星は暴走温室効果の究極の終末状態と表現されていますが、太陽の明るさが低すぎるため、人間が引き起こす温室効果ガス濃度の増加によってそのようなプロセスが起こる可能性は事実上ありません。^{[ 114 ]}また、太陽の明るさが数十パーセント増加する必要があり、それには数十億年かかるでしょう。^{[ 115 ]}

• 炭素会計– 二酸化炭素換算排出量を測定するために用いられるプロセス 
• 炭素予算– 特定の気候影響に対する二酸化炭素排出量の上限 
• 炭素隔離― 炭素を炭素プールに貯蔵すること 
• 気候変動のフィードバック– 気候変動に関連するフィードバック 

• ウィキメディア・コモンズにある温室効果ガス関連のメディア
• 二酸化炭素情報分析センター（CDIAC）、米国エネルギー省、2023年8月13日にオリジナルからアーカイブ、 2020年7月26日取得
• NOAAによる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。 2013年3月25日にWayback Machineにアーカイブされました。