2022年12月から追加： 二酸化炭素の収支を考えることが重要です。現在でも人為的に発生する二酸化炭素量よりも、植物による空気中からの取り込みの方が遥かに大きい。その点について指摘した昨年の記事を合わせてお読みください。 https://ameblo.jp/polymorph86/entry-12712859076.html
はじめに： 先日、広島の土砂崩れにより多数の死者を出した。この件、自然現象が直接原因だが、他に二つの人為的因子が存在する。一つは、危険箇所での住宅建築を許可した行政の責任であり、もう一つは、所謂地球温暖化の問題である。頻発する豪雨とそれによる土砂災害の一因はCO2による地球温暖化であるとの考えを屢々見聞きするので、今回、地球温暖化問題を基本的データを元に再考してみた。データの出所は夫々の図に示した様に、全てネット上である。
この問題に関しては、アルゴア氏の本の極端な記述に対する批判や世界気温の急上昇を示した“ホッケースティック図”に対するデータ偽造などの疑惑から、資源の温存を狙う西欧先進国による陰謀説なども出て、地球温度上昇を二酸化炭素の増加によるとする説自体が疑惑に包まれた感があった。更に、地球物理や地球環境を専門とする学者からも地球温暖化CO2原因説に否定的な意見が出ており、私はそれに賛同してきた。それらを疑問点を解消すべく、一から少し真面目に自分の意見を作るべく、この問題を考えた。
１）IPCCの地球表面温度の観測報告と最近の温暖化停滞について
地球温暖化（問題）としてウィキペディアで説明されているのは、地球全体の気候が温暖になる自然現象を呼ぶのでなく、近年観測されている「20世紀後半からの温暖化」である。この “20世紀後半の温暖化に関しては、人間の産業活動等に伴って排出された温室効果ガスが主因と見られ、2007年2月に国連の気候変動に関する政府間パネル(IPCC)が発行した第4次評価報告書 (AR4) によって膨大な量の学術的（科学的）知見が集約された結果、人為的な温室効果ガスが温暖化の原因である確率は9割を超えると評価されている”と書かれている。
つまり、地球物理の方々が主張している、大きな自然現象としての気候変動とその原因とは別に、この数十年の、地球物理的には小さいが人間生活にとっては大きな意味のある地球高温化は事実であり、その主因は地下資源を燃やしたことなどで排出されるガス、特に二酸化炭素であるとかかれているのである。
図（１）左図に幾つかの温暖化ガスについて地球温暖化効率が見積もられている。一番効果が大きいのは、従来から言われている通り、二酸化炭素である。右図の世界の気温であるが、図にあるようにこの50年に0.5度ほど上昇している。良く見ると、最近の１０年ほどの平均気温は、ほぼ一定しており、これが従来の考え方と合わないとして議論されてきた。これに関しても、最近、海水へのエネルギーの流れで説明する論文が発表されている。（注１）
２）温室効果と温暖化ガス
図（２）は、マクロな視点で地球温暖化を捉えるための、黒体輻射の法則（注２）を利用した単純化されたモデルである。問題を議論するスタートとして利用される。この図は、文部科学省のHPに記載された名古屋大松井教授の報告書から転載したものである（注３）。地球の空気を含めて黒体と考えるこのモデルでは、温暖化ガスの増加は、空気の層が厚くなることに相当する。太陽から来た可視光線などが地表で熱に変換され、元々の赤外線も加わって地球を暖める、そして平衡状態では受け取った熱は全て地球上から宇宙に放射される。その熱エネルギーの全量が変わらず、且つ上層から地表までの大気の間で、熱のやり取りが十分早いという仮定の下で地表面の温度を考えるのである。
そこで、太陽から来るエネルギーは例えば太陽を6000度の黒体球とすると、地球に来るエネルギー放射が計算できる。 黒体輻射の放射エネルギー(R)はシュテファン=ボルツマンの法則：
R＝σT^４； σ＝5.67 x 10^-8 (Wm^-2K^-4)
を用いて計算される。 そこで、地球の位置で太陽光線と直角に面する時に受け取るエネルギー1366 W/m^2（太陽定数）から、その1/4（342W/m^2）が平均的な地球表面が受ける単位時間当りのエネルギーである。そして、その内の雲や地面から直接反射された分を除いた、240 W/m^２分が吸収され、熱平衡が成立しているとすると同じ分が放出される。黒体輻射の式を地球の熱放射にも利用すると、地表の温度が図にあるように摂氏-18度になるのである。
空気が酸素と窒素とアルゴンのみである場合、太陽エネルギーを吸収しないので、地球へ届いたエネルギーはそのまま放射される。そこで、地球表面は摂氏-18度になる（一番左）。空気に温暖化ガスがあると、それらが途中で暖められる。また、地表から放射された熱がその温暖化ガスに吸収されて地表にもどされる。その場合、反射されたエネルギーと太陽から受けたエネルギーの和が、平衡状態で放射されるエネルギーと計算される。その結果、地表からは390W/m^2の放射が起こるとすると、それは地表面の温度摂氏プラス15度に相当する（単なる観測結果と合わせているだけである）。これは地表面と空気層を温室のビニル屋根に見立てた”温室モデル”であるが、連続的に空気が存在するので当然定量的な議論としては単純化し過ぎである。
温暖化ガスがあっても地球外放射は同じであるから、平均的な放射面が温暖化ガスの増加とともに上昇すると考えられる。平衡がなりたっておれば、上空の-18度の空気と地表面の１５度の空気を仮想的に入れ替えても変化がおこらない。つまり、摂氏-18度のガスを断熱圧縮して1気圧にしたときに摂氏+15度になると解釈できる。
図（１）は人工的に排出されたガスをリストしているが、実際には温室効果ガスの大半が水（水蒸気）である。本来脇役である筈の二酸化炭素などが、”付加的な最近の地球温暖化"であっても、その主役であることを主張するには、もう少し緻密な議論が必要である。現状では二酸化炭素濃度増を主原因として、”最近の”地球温暖化が起こっているという説は確定していない。そこで、一度原点に戻ってこの問題を考えることにする。
３）空気に含まれるガス成分の光吸収と太陽から来る光の減衰
先ず、空気成分の光透過率を示す。これは、大気物理学（Atmospheric Physics）のジョージア工科大Sokokik 教授が講義ノートとして公開したものである。
ここで、一番下の図が空気の透過率になる。可視光線は殆ど透過するが、赤外線は相当広い範囲で吸収され、その大部分が空気中で％レベルの濃度を持つ水、つまり水蒸気による吸収である。水の基本赤外吸収は3657/cm; 3756/cm;& 1595/cm（/cmはカイザーつまり1cm当りの波数）であるが、倍波吸収などにより近赤外領域まで周期性を持った強い吸収を示す（注４）。ここで、透過率の高い部分を“大気の窓”と呼ぶ。例えば、最下図の波長8〜13μの領域が代表である。吸収の大きい、つまり、透過率の小さい波長領域は、主に水の吸収によるが、4.3 μと15μ付近に二酸化炭素の吸収が、9.6μ付近にオゾンの吸収がある。その他メタンによる~3μ付近と8μ付近にもかなり強い吸収があることが解る。
太陽のエネルギー放射曲線と地表からの熱エネルギー放射曲線：
図（４）は同じくSokokik教授の講義（講演）資料からとった、太陽からくる放射エネルギーの波長依存性である。破線で示したのが、6000K（絶対温度6000度；摂氏5700度）の黒体放射スペクトルである。上の実線が大気圏外でのスペクトルで、その下が地表でのスペクトルである。紫外線部分が削られているのはオゾン層での吸収だろう。斜線により影をつけた部分は、大気内のガスによる吸収で減少したエネルギー部分である。当然、そのガスは上空で加熱されることになる。 ここでは波長2.5ミクロンまでしか書かれていないので、太陽エネルギーの大部分は可視光線と波長の短い赤外線（近赤外線）であることが解る。ここで注目したいのは、水による近赤外線の大きな吸収である。地上に来るまでに、おそらく15%（後に上げる図で、全大気による吸収は約16%）くらいは吸収されている。
上記図（３）と（４）を一つにまとめて示した図が下のもので、情報的には何も加えないが、解り易いのでのせておく。
図の2段目の吸収と散乱の効率を見ると、地上は光線から厚く遮蔽されていることが良くわかる。そして、水蒸気が近赤外から長波長部分を遮蔽する主なガスである。4.3μと15μ付近に炭酸ガスの吸収があるが、それがどの程度最近の人工的原因による地球温暖化に寄与しているか？が本文章のテーマである。 図上段の赤外部分の３本の線は恐らく、310K, 260K, 210Kの夫々黒体輻射を表わしているのだろう。青い部分は、”地球表面から放出された赤外線”を地球外から見たスペクトルだろう。後で説明する様に、実際に地表から大気の窓を通して放射されるのは約６％のエネルギーに過ぎない。また、人工衛星を使った観測では、上空大気からの放射がほとんどであり、このような形にはならない。
４）地球からの熱放射への温暖化ガスの影響
図（６）上図に示されているのは、人工衛星から観測した地球からの放射スペクトルである。下図は、太平洋上熱帯地域での上空からの赤外線放射である。http://wattsupwiththat.com/2011/03/10/visualizing-the-greenhouse-effect-emission-spectra/ つまり、上のグラフが地球から出て行く赤外線のスペクトル、下のグラフが上空から地上に放射される赤外線のスペクトルである。破線は地表表面温度の黒体放射曲線とだけ書かれているが、ヴィーンの変位則から計算すると300K位である。
下図の７μから１３μまでの凹んだ部分に対応する赤外線は能率良く宇宙に放射されていること、上図の凹んだ部分から、夫々水分子（７μ、１３μ以上）、オゾン（１０μ）、二酸化炭素（１５μ）が、括弧内に大凡の波長でしめした領域の赤外線を宇宙に逃がさないようにしていることが解る。以上は、温室効果ガスが実際に地球の温暖化に寄与していることを示している具体的な証拠であり、重要な結果だと思う。 この図及びこの図の元になった図で気になるのは、横軸である。上図をよく見れば、横軸目盛として波長（μm）が書かれているが、等間隔でも対数表示でもない。そのこと及び縦軸の単位からも解る様に、波数（/cm）が横軸であった図を左右逆転して表示したものである。注意を要するのは、一般に波長を横軸に表現された放射スペクトルと振動数（波数）を横軸に表わしたスペクトルは、ピークの位置も形も異なるということである。（注５）横軸を波数で表示したのは、二酸化炭素の効果を大きく見せたいとの意図があったと思われる。地球からの輻射曲線のピークが、丁度二酸化炭素の吸収域に来るからである。 この図を見て、二酸化炭素の重要な役割を感じるが、定量的議論がなければ近年の地球気温の温度上昇の機構だという決定的証拠にはならない。
（補足：図（６）の原図は縦軸単位を適当にとっている筈であり、科学的には問題が無いと思われる。適当とは、”X軸と曲線に挟まれた部分の積分値が、その波長範囲で観測された放射エネルギーになる”と言う意味である。2015/6/8）
５）エネルギー収支の問題
ここまで、IPCCの主張する人工的に放出された二酸化炭素などによる、追加的な地球温暖化とそのメカニズムを、太陽光の入射スペクトル、大気の吸収による地上でのスペクトル、そして、人工衛星で観測した上向き及び下向き放射のスペクトルなどから、考察した。ただ、実際に二酸化炭素などが地球の温暖化に著しく影響しているかどうかは、定量的な議論がなくてはならない。そこで、以下にエネルギー収支の問題を既存の図などを用い考えてみる。
上の図（図７）はhttp://ja.wikipedia.org/wiki/地球のエネルギー収支 から採った太陽から入射するエネルギーと地表から放射されるエネルギーの入射及び放射経緯である。黄色は可視光線を赤は赤外線を表わしている。本来この全てのプロセスを定量的に考察しなければ、温暖化ガスによる地球温暖化は説明できたとは言えない。大気による吸収は16%あるが、これは図３にある水による吸収が大部分だろう。また、雲による太陽光の反射が20%あるので、雲の生成と地表温度の関係も当然大きい。
また、地球表面で吸収された太陽エネルギーの割合が、地表面の形状によっても大きくことなること、地表面から空気中へのエネルギー移動には水分の蒸発による潜熱としての移動と直接空気と地面との接触による顕熱としての移動があるが、両方とも風速に依存し、潜熱移動の場合は更に湿度（より正確には比湿と飽和比湿の差）にも依存する。これらのプロセスは、詳細に大気物理学として知られているが、その分野の専門家でも明確な答えは出せない位複雑である。（注６）
６）二酸化炭素など温室効果ガスの増加による地球温暖化説への反論：
図（７）と重なるが、図（８）に示したのは、各プロセスにワット数を直接記したものである。大気と地表との放射の交換が直接書かれていて解り易い部分もあり、相補的に図７−８は用いると、現象に対する理解が進む。図（６）の上のスペクトルは、夫々大気による放射と大気の窓経由の放射の和であり、下のスペクトルは大気による放射である。図（４）の太陽からのエネルギースペクトルは、左の入射する太陽放射342Wと、一番内側のat the sea levelと図中に示されているのが、地表による吸収部分168Wである。
以上の様に、地球の表面温度に影響するプロセスはたくさん考えられる。従って、人工的に排出された温暖化ガスによる地球温度上昇という幾分単純なモデルに対する反論は多い。その中で説得力があったのは：
（A）地球に届く宇宙線の量が、太陽の磁場が大きくなると減少する。それが大気圏の雲の発生量の減少を招き、それにより太陽エネルギーの反射量の減少が地球温暖化の進行の原因であるという説である（注７）。ただ、2003年のP. Lautらの論文（注８）により、これが否定されたと言われている。つまり、宇宙線量と低層雲の量に相関がないというのである。また、 アラスカ大学教授（地球物理）であった赤祖父俊一氏の講演によると、（B）地球温暖化は起こったとしても１度以下だろうとのことで、大した問題ではないとの話もあった。更に、地球温暖化などの問題は時間的余裕もあり、まだまだ学者の研究する領域であり、政治的問題ではないと指摘している。
７）原点に戻ってIPCC報告等に対する最も基本的な疑問点：
もう一つ、根本的な問題が東北大名誉教授の近藤純正氏によりサジェストされている。
それは、（C）IPCCの気温のデータは確かかどうかというものである。近藤氏は明確には書かれていないが、読者にはそう伝わる:http://www.asahi-net.or.jp/~rk7j-kndu/kenkyu/ke04.html
図（９）は、長野県の都市化が進んだ長野市と、都市化が進んでいない飯山市での約100年間の気温変化である。これは代表例で、他にも日本中の都道府県の都市化部と田舎部での気温データのペアが示されている。何れも都市部での温度上昇は、最近急に高くなっているが、田舎部では殆どコンスタントである。http://www.asahi-net.or.jp/~rk7j-kndu/kenkyu/ke04.html
都市部では人のエネルギー消費が大きくなることのほかに、コンクリートとアスファルトで地表が覆われることが多くなり、図（８）にある潜熱によるエネルギー移動や建物が建つことによる顕熱としてのエネルギー移動の双方が小さくなる。従って、都市化の進行によって観測地点の温度が徐々に高くなるだろう。それがそのまま統計データに入っているのではないだろうか。もしもそうなら、赤祖父俊一氏の言うように二酸化炭素の大気圏での増加による温度上昇はさほど大きな値ではないことになる（注９）。
つまり、IPCCは世界各地で比較的都市化が進んだ場所のデータを集めている可能性があるのではないかという疑問である。もしそうだとすると、この１０年間、あまり気温に変化が無い理由も解ってくる。先進諸国は殆ど日本病とおなじであり、デフレに苦しみだした１０年だから、都市化の拡張が抑えられる傾向にあったからである。
終わりに：
私は、以前から二酸化炭素による地球温暖化説を疑っていた。
http://rcbyspinmanipulation.blogspot.jp/2014/01/blog-post_23.html そして、今回、IPCCの考え方を真面目に考えてみた。その結果、図（８）にあるような多くのプロセスで地球の温度が決定され、そのプロセス一つ一つに、大気圏物理学や地球物理学という分野で、気候を含め様々な問題を研究している方々の膨大な研究があることを知った。その中に首を少し突っ込んだだけで、二酸化炭素などによる地球温暖化の進行という問題には、簡単には結論がでないことが解った。理解が進んで、難しさが解ったのである。 一点だけ簡単なことだが最も大切な点が気になった。IPCCは、温度測定ポイント近傍の都市化による温度上昇分を、地球全体の温度を見積もる際に、差し引いているかどうかである。その点について明確にすべきであるとおもう。
（追記2015/6/9：よく知られている様に、火山の大噴火により地球の寒冷化が起こる。それは、放出された微粒子が、雲が発生する際の核として働くからである。太陽光を反射する雲の量が増加すると、温暖化効果の大きい水蒸気が減少するので、その効果も考えなければならない。また、工業化で大気中に増加するのは、二酸化炭素の他に微粒子も放出され、後者は寒冷化の原因に成り得る。地球温暖化説は、よく引用される温室効果で説明出来る程簡単ではなく、非常に多く問題が絡む複雑な問題である。）
注釈：
1）最近、東大の渡辺雅浩准教授により“近年の地球温暖化の停滞は海洋熱吸収の増大によるものか”と題する発表が昨年夏になされた。Watanabe, M., et.al., Geophysical Research Letters (2013, July18) 最近の集中豪雨などは将に海水温の上昇が原因であることを考えると、非常に重要な指摘のように思われる。
２）黒体とは、どのような周波数の光も完全吸収・放出する物体である。その物体が加熱された場合プランク分布の式に従って、あらゆる周波数の電磁波（光）が放射される。プランクの式から、最大輻射の波長がその黒体の温度に逆比例するというヴィーンの変位則や、輻射エネルギーが温度の４乗に比例すると言うシュテファン・ボルツマン則などが導かれる。
３）松見豊、名古屋大太陽地球環境研究所教授 http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu3/toushin/attach/1333534.htm 参照。（文部科学省科学技術・学術審議会資源調査分科会光資源委員会の報告書）
４）詳細は、J. Tennyson, et,al., Pure Appl. Chem., vol.86, pp71-83 (2014), and references therein.
５）周波数（ν=c/λ）或いは波数ν=1/λへの独立変数の変換は、（F(λ)dλ=F(ν)dν)から関数形を変換して計算する。
６）この当りの議論は、東北大学名誉教授の近藤純正氏のホームページに詳しくかかれている。http://www.asahi-net.or.jp/~rk7j-kndu/kenkyu/ke03.html アドレスのke03の数字を換えると違う章に飛べる。都会化による温度上昇なども論じられている。大気物理（Atmospheric physics）で検索すれば、専門家の著述がたくさんある。ただ、上記引用の図が繰り返しあらわれるのも印象的である。
７）例えば、http://www.youtube.com/watch?v=sRYXyqg770E 丸山茂徳東京工業大教授による二酸化炭素による地球温暖化説は誤りであるとの解説があった。（現在著作権の問題か何かでyoutubeで観られない）その根拠として、過去1940年から40年間CO2濃度が急激に増加しているが温暖化は全くなかったことや、地質学的データであるが、CO2濃度が現在の50倍であるにも拘らず赤道まで凍った時期があるなどの事実が紹介された。また、地球の気温を決めるメカニズムとして、１）地球表面の雲による被覆率が太陽光の反射率を決め、２）その雲の量を決めるのは、水蒸気凝縮の核となる宇宙線（宇宙から降り注ぐ放射線）の量であり、３）宇宙線量は太陽活動により変化する磁気が決めるという。 過去1000年間の太陽活動、宇宙線量、気温のデータから判るという。
８）”Solar activity and terrestrial climate: an analysis of some purported correlations”, Peter Laut, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 65 (2003) 801–812
９）東京の平均気温が1度ほど低くなることになった。気象庁が観測地点を都心ではあるが公園（北の丸公園）にうつしたからである。http://www.nikkei.com/article/DGXLASDG03H1E_T01C14A0CC1000/（注９は2014/11/30に追加）
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