第 6 章　炭素物語―地球史から見た地球温暖化問題と石油資源問題

第５章では炭素の生命を作る分子という側面を学んだ。本章では、 二酸化炭素を通じた気候のコントロール、化石燃料によるエネルギー供給という 観点で炭素を見て行く。それらの関わりを議論し、現代社会を議論する基礎としよう。

全体の構成は以下の通り。

基本編

1 炭素循環

2 温室効果

応用編

3 地球の CO₂ と気候の歴史

4 気候と人間の歴史

5 地球温暖化問題

6 資源エネルギー問題（石油、バイオマス）

6-1 炭素循環

6-1-1 短期的炭素サイクル

CO₂ + H₂O ←→ CH₂O + O₂ （右向き矢印が光合成、左向き矢印が呼吸）

これに関してよくある初歩的な勘違い：樹木を燃やすと CO₂ が 増えるので環境に悪い。
これは、そこだけ取り出せば正しい。しかし、樹木を燃やしても、 その分植林をすれば CO₂ は増えない。そこで、 樹木を燃やして燃料にするエネルギーを「バイオマス」と称して、 温暖化対策のひとつと考える人もいる。

[図：もうちょっとくわしい短期的炭素サイクル]
もうちょっと詳しく書くとこのようになる。細かいことはそんなに気にしないで良い。

6-1-2 長期的炭素サイクル

(1) 大気 CO₂ を増やす要因

(1a) 脱ガス：火山ガスの主要成分は水蒸気と二酸化炭素

(2) 大気 CO₂ を減らす要因

(2a) 風化と炭酸塩の沈殿

(2b) 有機炭素埋没

減らす要因に関して詳しく説明する

(2a) 風化と炭酸塩の沈殿
物事を単純化して考えるために、CaSiO₃ という珪酸塩が風化されるとする。前に、世の中の石の代表は MgSiO₃ だと言った。MgSiO₃ でも良いのだが、 いろいろ紛れがあるので、CaSiO₃ にする。

CaSiO₃ + 2 CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2 HCO₃^- + SiO₂

Ca²⁺ + 2 HCO₃^- → CaCO₃ + CO₂ + H₂O

CaSiO₃ + CO₂ → CaCO₃ + SiO₂

(2b) 有機炭素埋没
有機炭素を腐らせないで地中に埋めることが出来れば、短期的炭素サイクルを ちょん切って大気 CO₂ を減らすことが出来る。 その有機炭素は化石燃料になりうる。そして、二酸化炭素が減って酸素が増える。 昔、20 億年前に大気中に酸素がたまり出したのも、結局こういう炭素の埋没が 起こったせいである（光合成が起きたというだけでは、酸素が増えることはない）。

最後に、人為的原因による二酸化炭素の増減で重要なプロセスは、もちろん
(1b) 化石燃料の燃焼
である。いったん埋没した有機炭素である化石燃料を燃やすと、 大気 CO₂ が増えることになる。

6-1-3 堆積物中での炭素の存在形態

[図：堆積物中での炭素の存在形態]

有機炭素：無機炭素＝１：５

石油：有機炭素全量＝１：１００００
利用できる石油（貯留岩）：利用できない石油（非貯留岩）＝１：２４０

6-2 二酸化炭素と温室効果

まず、次のことを認めてもらおう。 温度が T の不透明な物体は表面から光として単位面積あたり

I = σ T⁴

これを基にして温室効果がどういうものか考えてみよう。温室効果の本質は、

大気は太陽光のような可視光線は通す。一方、地球は赤外線で光っているのだが、 大気は赤外線に対して透明でない

これだけでは何のことやら分からないだろうから、もう少し説明する。 地球の表層のエネルギー収支の基本は

太陽から可視光としてエネルギーを受け取り
地球から赤外光として宇宙空間にエネルギーを捨てる

大気において温室効果を持つガスとしては、水蒸気（H₂O）、 二酸化炭素（CO₂）、オゾン（O₃）などが重要である。 現在の大気の温室効果のうち、60 % が水蒸気、 26 % が二酸化炭素、8 % がオゾンによるものである（数字は 定義の仕方に依存するので、目安だと思ってほしい）。
（出典） J.T. Kiehl and K.E. Trenberth (1997) "Earth's Annual Global Mean Energy Budget" Bull. Amer. Meteorological Society, 78, 197-208

温室効果ガスとしては水蒸気が重要であるにも関わらず、以下の話では 二酸化炭素がキーとして出てくる。そうなる理由は、水蒸気量は、その時の 大気海洋の状態（温度など）に応じて自動的に決まるもので、大気海洋の 外から決められないからである。たとえば、二酸化炭素が 2 倍になると 気温が 4 度上がるという予測がある。それは、もう少しきちんと言えば、 二酸化炭素が 2 倍になって気温が上昇すると、水蒸気の量も増えて、 その水蒸気と二酸化炭素の温室効果を合わせて 4 度上昇するという意味である （「水蒸気フィードバック」）。以下では、二酸化炭素が増えたら気温が 変わると言うときには、そこまで言外に含んでいるとする。 ここはよく誤解される点である （参考 web page : Real Climate "Water vapour: feedback or forcing? ここにかなり詳しい 議論がある）。

[図：温室効果の簡単モデル]
もう少しだけ定量的に考えるために、 大気を赤外光に対して不透明な１層の物質としてモデル化しよう。 すると、地表に関するエネルギーバランスは

I_E + σ T_a⁴ = σ T_g⁴

σ T_g⁴ = 2 σ T_a⁴

σ T_a⁴ = I_E
σ T_g⁴ = 2 I_E

T_a = ⁴√(I_E/σ) = 255 K
T_g = ⁴√2 ⁴√(I_E/σ) = 304 K

T_g = ⁴√(n+1) ⁴√(I_E/σ)

ここまでが温室効果の原理である。

6-3 地球の CO₂ と気候の歴史

大きく２つのトレンドを見て欲しい。

(1) 過去から現在に向かって、だいたい減少傾向

説明：太陽放射の増大と Walker feedback による温度調整

星の進化の理論から太陽放射は時代とともに少しずつ増えている。 逆に、過去に行くと太陽が少し暗くなっている。

では、過去ほど寒いかというとそういうことでもない (faint young sun paradox)。

Walker feedback

寒くなる→風化が減る→相対的に脱ガスが多くなり、大気に CO₂ がたまる→温室効果で暖かくなる

逆に、たとえば太陽放射が増えて
暑くなる→風化が増える→相対的に脱ガスが少なくなり、 大気から CO₂ が減る→温室効果で寒くなる

こういう理由で温度が調整される。そこで、過去ほど CO₂ が 多い。

（注）風化は化学反応なので、温度が上がると風化が早まるということを用いている。

(2) 古生代と新生代に二つの山

説明：火山活動の活発化による脱ガスの増加
[図：Wilson cycle]

1. 6 億年前（全球凍結）
2. 3 億年前（石炭紀〜ペルム紀）
3. 250 万年前以降現在まで（第４紀）：現在は間氷期（1970 年代は氷河期を心配していた）

[DVD 地球大進化「全球凍結」 title1 chap4 (5 分くらいから) が 全球凍結の解説 (とくに 7:40 以降)、chap13 は全球凍結の終りの解説 （時間があれば）]
全球凍結：いったん地球が凍り付いてしまうと、二酸化炭素が大気にたまる ようになって、あるとき突然氷が融け初め、その次には気温６０度とかいう ような極端な温暖化が起きたと言われている。

[氷期・間氷期サイクルは省略しよう]

6-4 気候と人間の歴史 [本年度省略]

安田喜憲「気候変動の文明史」（NTT出版）

[配布図：炭素同位体比から見た気候変動]
歴史時代の気候変動を見ると、だいたい図のようになっている。 中世（平安時代）は温暖。江戸時代は寒冷（小氷期）。 これは、日本だけでなく世界的傾向としてそうである。 たとえばヨーロッパでは、中世の温暖期 (10-13 世紀）はバイキングが 活躍した時代で、グリーンランドは緑の島だった。 一方で、小氷期になると、イギリスではテームズ川が凍っていたと 言われている（現在では、とても凍りそうにない）。 さて、日本の歴史と対応してみると、気候が時代の「雰囲気」を決めて いるようにも見える。 まず、おおざっぱにみると

• 中世温暖期：貴族の時代
• 小氷期：武士の時代
• 現代：大衆の時代（大戦も武士社会というよりは大衆社会の逸脱現象？）

もう少し細かく見てもそんな感じがする。

• 520--610 ころ：温暖：聖徳太子、飛鳥文化
• 620--740 ころ：寒冷：大化の改新、壬申の乱（文化的には白鳳時代）
• 740 以降：温暖：天平文化、平安の貴族文化時代

その前の古墳時代もそんな感じがする。

• 前期 (4C) : 副葬品に銅鏡が特徴的。
• 中期 (5C) : 副葬品に甲冑などの武具が特徴的。大型古墳（仁徳天皇陵など）
• 後期 (6C) : 小古墳が増える（大衆化？）

6-5 地球温暖化問題

米本昌平「地球環境問題とは何か」（岩波新書）
地球温暖化問題の政治的な側面がわかる

地球温暖化問題とは？

地球温暖化の現状認識

レポートでは現状は次のように認識されている。

1. 地球の平均気温は 20 世紀の間に約 0.6 度上昇した。
2. 山岳氷河の後退が広く見られた。
3. CO₂ 濃度は 1750 年以降 31 % 増加した（過去 42 万年間で最も多い）。 また、増加率は過去２万年で最高。
   Cf. Sundquist and Visser, 2004, in Treatise on Geochemistry によると、
   大気中の二酸化炭素は産業革命以後 20 % くらい増えている。 [420 Pg C → 590 Pg C]
4. CO₂ 増加の 3/4 は化石燃料の燃焼によるもので、残りは森林減少による
5. CH₄、フロン、N₂O も増加してきている。 1750 年以降の温室効果ガス増加のうち、 CO2 が温室効果に与える影響は 60 % を占め、残り 40 % がその他のガスである。 (参考：二酸化炭素以外の温室効果ガス)
6. 結局、過去 50 年間の気温上昇は、人為起源のものである可能性が高い。

地球温暖化で何が起こるか？

気温はどうなるか？

世界中の研究者がいろいろ計算した結果、将来予測は次の図のようになっている [spm.pdf 中の図：配布]。21 世紀末の予測として 1 度から 6 度くらいまで いろいろある。幅が出る原因は大きく２つある。(1) 経済と化石燃料使用 の予測に幅がある。現状からすると、人間は結局のところあまり対策が できないまま、進んでしまいそう。だが、一方で石油の枯渇の問題が顕在化 してくるかもしれない。(2) 自然科学の問題としても不確定性がいろいろある。 とくに雲の予測が難しいとされている。温度が上がると水蒸気が増えるだろう。 そのときにどのように雲が出来るのかが問題。さらに、雲の出来かたによって、 日射を遮って温暖化を抑える方向に働くかも知れないし、温室効果で 暖める効果に働くかもしれない。

海水準が上昇するかもしれない。

海が暖まると、熱膨張で海水準が上昇する。 極域の氷が融けるから海水準が上昇するというのは俗説で誤りと考えられている。 北極の氷はもともと海にあるので、融けても海水準は変わらないし、 南極の氷は降水量が増えるために増える可能性さえある。

海流が大きく変わるかもしれない

映画 The Day After Tomorrow で誇張された形で描かれていることである。 温暖化が起こると、深層循環で、冷たい海水がグリーンランド沖で 沈み込めなくなるかもしれない。そうすると、メキシコ湾流が弱くなって、 暖かい水が北大西洋に流れにくくなる。そうすると、北大西洋沿岸 （北米東岸と西ヨーロッパ）が寒くなるんじゃないか、という話。 もっとも、映画は誇張され過ぎていて、実際は寒くなるというよりは、 その地方で温暖化が少し抑えられるという程度かもしれない。

海洋生態系に大きな影響があるかもしれない

最近言われ始めたことで、二酸化炭素が水に溶け込むと、炭酸になるので 海洋が酸性化するんじゃないかということである。現在の海洋は、少し アルカリ性である。これが酸性になると、霰石（CaCO₃）が 溶けやすくなる。そうすると霰石（CaCO₃）の殻をつくる生物が 死ぬ。その例が、極域の海の翼足類で、これは極域の海の生態系を支えている。 それが死ぬと、生態系が大きく乱れることになる。

対策の問題

京都議定書 (1997)

先進国で CO₂ 排出を減らそうとした（米国は離脱）
日本は、1990 年に対して 6 % 減を約束した （2012 年までに、日本 6 %、米国 7 %、EU 8 %）：日本が一番たいへん
ところが、1998 年で 1990 年に対し 5 % 増！　目標達成の見通しは暗い
原因：ほとんどは運輸部門（とくに自家用車）の伸び
1990 年から 1998 年で自家用車による CO₂ 排出が約 3 割増
しかし、自家用車は規制をかけづらいし、トヨタは日本経済の牽引車

地球温暖化問題の重要性

温暖化が非常に急速に起こるために、それに人間社会が対応できるかが 懸念されている

温暖化がゆっくりなら、人間社会も生態系も徐々にそれに対応して 変わっていけて、そうすると実際住みやすくなる可能性もある。しかし、 予想されることは、住みやすくなる場所と住みにくくなる場所があるという ことで、平均では住みやすくなるかもしれないということだ。その場合、 国境線はすぐには変わらないので、人々が住みにくい場所から 住みやすい場所に簡単には移動できない。そこで、人間社会としては 困る可能性が高い。

基本的には南北問題である：

お金のある先進国は、温暖化して気候が 変わっても、技術的な手段でさまざまの対応ができると考えられる。 しかし、発展途上国はそうはいかない。予想されていることは、 たとえば、山岳の雪解け水が減って、現在雪解け水で灌漑をしているところが 困るとかいったようなことである。で、そういうことで打撃を特に受けやすい のが、発展途上国である。

地球温暖化問題に関する注意

地球温暖化問題は、不確定な未来にどう対応するか？という問題であることにも 注意を払う必要がある。温暖化で何度上がるか予想しろという問題に対する 気候学者の解答には依然としてかなり幅がある。地球システムには非常に多くの 要素が入っているので、研究者がいくら努力してもどうしても分からない部分が かなり残るのはやむを得ない。きちんとした答えが出てから対応しようとしていたら、 手遅れになる可能性がある。このような問題にどう対処したら良いか？ これは皆さんのような将来世代に残された課題である。地球温暖化問題に限らず、 次節の石油資源問題、次章に関係する地震予知問題も、すべてこの手の問題である。 研究者が予測できることにかなり不確定性が残っている場合に社会として どのように対応したら良いのか？皆さん自身の問題である。

6-6 石油エネルギー問題

Kenneth S. Deffeyes "Hubbert's Peak -- The Impending World Oil Shortage" (Princeton Paperback)
ポール・ロバーツ「石油の終焉」（光文社）

石井吉徳「豊かな石油時代が終わる」 http://www007.upp.so-net.ne.jp/tikyuu/index.html

石油とは？

[表：石油の成分]
そのためにまず、石油とは何かということを見てゆこう。 そもそも、石油は単一の物質ではない。 石油とは、ふつうには、炭化水素を主とする有機炭素の混合物で液体のもの、である。 しかし、英語の petroleum は、液体の油（oil）、気体の天然ガス（natural gas）、 固体の炭化水素類（アスファルト、ワックスなど）を含むもので、専門家は これらをまとめて石油ということが多い。 産地や年代によっても中身は異なる。

[省略：石油は、貯留岩と呼ばれる砂岩や炭酸塩岩の粒の隙間に含まれている。 それを集めて資源にする。]

もうちょっと広く見ると、化石燃料とは、生物遺骸が有機炭素として残っているものである。それには、石油、天然ガス、石炭がある。それらの中間的なものもある。また、 とくに天然ガスでは、生物起源だが遺骸起源ではないもの、無機起源のものもある。 石炭は植物起源であることがはっきりしている。それに比べれば、石油の起源はわかりにくい。 それは、一言で言えば、液体には地質学の方法の重要なものが使えないからだ。 石炭だと植物の形が残っているが、液体になると残らない。また、液体は出来たところから 移動してしまうので、もともとどういう場所で出来たのかわからない。 ただし、生物起源であることは炭素同位体が δ¹³C が -25〜-30‰ と 軽いということで、まず確かである。

[図：続成作用に伴う石油の生成]
現在考えられている石油の生成プロセスは図の通りである。 石油は、堆積岩の中で有機物がだんだん変化してゆくことでできる。 元になる有機物が何かは場所によって異なる。 まず、何らかの理由で、有機物が分解されずに残ることが必要（還元的環境）。 それが、いったんある程度分解され再び重合してケロジェンと呼ばれる複雑な 高分子化合物の混合物になる。その後、熱などである程度分解したものが 石油であると考えられている。

[省略：化学成分の特徴から判断すると、たとえば中東の石油は、おそらく海底で出来たのであり、 藻類などに由来したもののようだ。一方で、アメリカの石油は陸とか海でも 河口付近でできたもののようだ。]

[省略：石油が出来た年代としては、ジュラ紀から第３紀（ 2 億年から 100 万年前）のものが ほとんどである。新しい石油がないのは、おそらく石油ができるために ある程度「熟成」期間が必要なせいである。古いのが少ないのは、「熟成」しすぎると、 分解しすぎてガスになってしまうためであると考えられている。程よい熟成期間が 必要なのである。 ]

[図：白亜紀の石油産地]
石油は、良く知られている通り、中東に多い。なぜか？

中東の石油は白亜紀のものだ。先の気温変化を見ると、温暖期。 これはかなり暖かくて、大陸氷床はなかっただろう。それから、 海の底も 15 度くらいあったらしい。その結果として、 海洋循環がかなり滞ったらしい。前に深層の熱塩循環の話をした。 そのときやったように、現在の海は、グリーンランド沖とかウエッデル海で 冷たくて塩辛い水が沈むことで海全体がかき混ぜられている。ところが、 気候が暖かいと沈む水がないので、海が混ざらない。 しかも、今の中東は昔はテチス海という内海だったので、さらに混ざりにくい。 その結果、海のある程度以上深いところが長い間酸欠状態になったと 考えられている。そのために、底にたまった有機物が分解されずに埋没した。 これが中東の大油田の起源だと考えられる。

このように、CO₂ と資源問題はこういうところでも結びついている。

石油の持続可能性

昔から 40 年説があったが、今はそういうことを言う人はいない。 今世紀中になくなることはない。しかし、近いうちに供給はピークを迎えるであろう。 一方、需要は増えるだろうから、石油は高騰する。現在の石油の高騰も 単なるマネーゲームの結果だけではない。実際に供給がそろそろ需要に 追い付かなくなってきているのだ。

[図：石油発見の歴史]
(1) これからの石油供給はどうなるのか？
40 年説を聞き厭きて、これからも石油は発見されるだろうから、将来に 不安はないという楽観論を述べる人がいる。しかし、根拠がないことが多い。
(1-i) 大油田の発見は 1960 年代くらいまでで終わっている。 世界最大の油田 Ghawar (Saudi Arabia) は 1940 年代の発見、２番目の Burgan (Kuwait) は 1930 年代の発見である。これに匹敵する大油田はそれ以後全く 見つかっていない。
(1-ii) タールサンドがあると言って安心する人もいる。 しかし、量は多いが、採掘コストが格段に高い。すなわち、 （得られるエネルギー）／（投入エネルギー）が小さい。 だから、タールサンドを使うならば、価格が高くなることは避けられない。 また、硫黄分が多くて質もあまり良くない。
(1-iii) というわけで、近いうちに世界の石油生産がピークを迎えることは 避けられない。ひょっとするとすでにピークが来ているかもしれない。 今世紀中に石油がなくなることはないにしても、価格の高騰は避けられない。
(1-iv) 最後まで持つのは中東の石油であることにも注意しよう。

(2) 石油需要の増加
石油の需要は増加する。とくに中国など現在大きく発展している国々の 需要が増加する。だからこそ、中国は国策として石油確保に血眼になっている。 需要別で重要なのは、ひとつは運輸部門である。発電などは、天然ガス、 原子力など代わりがあるが、自動車、飛行機の燃料は代わりがない。 [余談：前に述べた通り、運輸部門は二酸化炭素問題でも重要]

(3) 石油の供給不足と社会の今後
石油は現代社会を支えているので、間もなく石油生産がピークを迎えると 社会が激変するだろう。石油がなくなってくると、石油は燃料としてよりは、 石油化学製品の原料として重要になってくるであろう。 石油は、食糧を支えていることにも注意すべきである。 たとえば、窒素肥料は間接的には石油化学製品である（窒素肥料は アンモニアから合成する。アンモニアは水素ガスと窒素ガスから合成する。 水素ガスの原料は石油である）。 今食べている食糧は世界中から燃料を使って運ばれてきている。 季節外れのものが食べられるのも燃料のおかげである。 そう言ったさまざまの意味で、われわれは「石油を食べて」いる。 石油が無くなると、何と飢えるかもしれない！ ただ、石油不足は地球温暖化問題にとっては良いことである。 （ただし、ガソリン代が２倍になっても影響は小さいかもしれない：イギリスの例）

(4) 南北問題
先に、地球温暖化問題が南北問題であるという話をしたが、石油エネルギー問題も やはり南北問題の様相を帯びている。というのも、石油が高くなったとき、 先進国は買えるが、発展途上国（産油国を除く）は買えなくなって石油 獲得競争から脱落するからである。石油の値段が上がるというのは そういうことで、やはり金がものを言うのである。

(5) イラク戦争の背景：アメリカの石油戦略、日本の石油戦略
人道的な問題はもちろん重要だが、それは置いておいて、 石油問題としてはこの戦争は何か？考えてみよう。