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。
炭素は地球環境を決定づける元素である。その特徴をまとめておこう。
全体の構成は以下の通り。
このあたりの話を書いた一般向けの本として
田近英一「地球環境 46億年前の大変動史」(化学同人 DOJIN 選書 024)がある。
CO2 + H2O ←→ CH2O + O2 （右向き矢印が光合成、左向き矢印が呼吸）[黒板図：短期的炭素サイクル]
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。
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これで、二酸化炭素が 2 mol 消費され、珪酸塩が水に溶けて、やがて海へ流入する。 海では、この炭酸水素イオンがやがて炭酸塩になる。
Ca2+ + 2 HCO3- → CaCO3 + CO2 + H2O現在では、この反応は生物が殻を作ることによって行っている。たとえば、サンゴとか プランクトンである有孔虫などである。上の二つを合わせると、結局
CaSiO3 + CO2 → CaCO3 + SiO2となり、岩石成分 1 mol の風化で二酸化炭素が 1 mol 消費されて、炭酸塩となる。
(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。
[図：堆積物中での炭素の存在形態]
有機炭素：無機炭素＝１：５無機炭素の量が多いのは、(1) もともと CO2 ができやすく、 さらに、(2) その CO2 は海の中で生物が殻を作って石にするからである。 さらに、
石油：有機炭素全量＝１：１００００なので、石油は希少資源である（ただし、石油が利用できるかできないかは 技術とコストとの兼ね合いなので、その境界はあいまいである）。
利用できる石油（貯留岩）：利用できない石油（非貯留岩）＝１：２４０
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のエネルギーを放出する。これをステファン・ボルツマンの法則という。 ここで、σ = 5.67 × 10-8 W m-2 K-4 である。 こうなる理由は、物理をきちんと勉強しないと言えないのでここでは省略する。 要するに、温度が増えると温度の４乗にしたがって急激にエネルギー放射が 増えるということだ。
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ということだ。
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である。その出る方に関所があるので、いわば渋滞して（喩えが悪いか？） 温度が上がるというのが温室効果である。
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
IE + σ Ta4 = σ Tg4大気に対するエネルギーバランスは
σ Tg4 = 2 σ Ta4となる。合わせると、
σ Ta4 = IE(参考：σ Tg4 = 2 IE となることの別の説明法)
σ Tg4 = 2 IE
Ta = 4√(IE/σ) = 255 Kとなる。大気がないとすると、地表の温度は Ta になるはずだから、 その差が温室効果ということになる。実は、大気の枚数を n 枚にすると
Tg = 4√2 4√(IE/σ) = 304 K
Tg = 4√(n+1) 4√(IE/σ)になっていくらでも温度を上げられる。問題は、大気が不透明層何枚分に当たるかと いうことで、それは本当はちゃんと計算しないとわからない。でも、現実的に 地表の温度は 300 K くらいだから、１枚分くらいというのが現実だろう。
ここまでが温室効果の原理である。
大きく２つのトレンドを見て欲しい。
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)。
これらの間には、温暖な時期がある。たとえば、恐竜が繁栄した中生代は、きわめて 温暖で、北極や南極にも氷床が無くて恐竜が棲んでいた。海も深海まで 17 ℃くらい （今は 2 ℃くらい）と暖かかった。そうなった理由は、火山活動が 地球全体でさかんだったためだ。オントン・ジャワ海台やケルゲレン海台などの 大量の溶岩の噴出があったことが分っている。
ピーター・Ｄ・ウォード「恐竜はなぜ鳥に進化したのか」（文藝春秋）ごく最近、大気の酸素濃度が動物の進化を決定づけたという説が出てきた。 その説は、上記の本で解説されている。その骨子は以下の通りである。 動物は、動くのに大量のエネルギーを使うので酸素呼吸が必須である。 そこで、大気中の酸素の増減が、動物の進化に決定的に重要だったというのだ。
[配布図：大気中の酸素濃度の歴史]
炭素循環の基本を考えると分かるように、
有機炭素が埋没すると、大気中の酸素が増えて二酸化炭素が減る。
逆に、有機炭素が燃えると、大気中の酸素が減って二酸化炭素が増える。
そんなわけで、二酸化炭素の歴史と酸素の歴史は相補的な関係にある。
昔の大気中の酸素濃度がどうであったかを示す直接的な証拠はない。
しかしながら、二酸化炭素やら気温やらと組み合わせて炭素循環や
硫黄循環などを考えると、間接的に大気中の酸素濃度を推定することができる。
そうしてみると、大気中の酸素濃度は、過去６億年の間にけっこう
変動していると推定される。
このグラフが細部まで信用できるかどうかよくわからないが、 これをそのまま信じると、大気中の酸素が減る時期と大量絶滅の時期が だいたい一致している（よく見るとちょっとずれているが、誤差の内か？）。 これは意味ありげである。もっとも、タイミングの細部までは信用できないので、 これは酸素濃度が低い時期に絶滅がおこりやすそうだという程度にとどめておこう。 なお、世に言う５大絶滅とは
重要なことは、おおざっぱな傾向を見ておくことである。とくに
でもまあこれを信じることにしよう。すると、ウォードの主張は、 酸素の濃度と動物の進化が深く関わっているかもしれないということである。 ウォードは、低酸素期には生物の異質性が増し（いろいろなボディプランを試みる）、 高酸素期には多様性が増大する（同じボディプランで多様な種が枝分かれする）という説を述べている。 上記の大きな酸素変動に対応して以下のようなことが起こっている。
というわけで、酸素の濃度が進化を左右しているというのが、ウォードの新説だ。 たいへん興味深いし、ありうることであるように思う。
安田喜憲「気候変動の文明史」（NTT出版）過去の気候変動で人類がどういう影響を受けたかを見てみるのは、 人類の将来を占う上でも面白い。ただし、気候変動と人間の歴史の 対応関係は認められるものの、因果関係が証明されたわけではない。 したがって、以下の話は証明されたものではなくて、 「そういう話もある」という程度に受け取ってもらえると良い。
[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
もう少し細かく見てもそんな感じがする。
その前の古墳時代もそんな感じがする。
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
問題は、端的にいえば、こういう話である。
地球温暖化では、暑い地域の変動が少なく、寒い地域が暖かくなって全体に住みやすくなるこれはたぶんおおむね正しい。少なくとも寒冷化するよりは良さそうである。
では、なぜ地球温暖化問題が問題になるのか、それをよく考える必要がある。 地球温暖化問題は本質的には単に気温が上がるという問題ではない。 私の考えでは、２つの問題がある。
私の個人的見解は 次に説明する石油エネルギー問題の方が重要であって、地球温暖化問題は 実はそれほど問題にならないのではないかと思っている。つまり、石油生産量が 思ったように増えないために、否応なく二酸化炭素が排出できなくなってしまう 可能性である。それは次節で議論する。それに関連していえば、温暖化問題は 石油資源獲得競争であるといううがった見方もある。つまりＣＯ２排出規制は 石油資源割り当てと事実上同じ意味になるからである。
だいたいの世界のコンセンサスを見るには、IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) の
第４次報告書 (2007) を見るのが良い。これが一応の世界の科学者のコンセンサスである
（IPCC は国連後援の科学的アセスメント機関）。科学の面では、世界の気象・気候学者が
数値シミュレーションを行って現在の説明と未来予測をしている。
気象庁のホームページに、
「第１作業部会報告政策決定者向け要約」の日本語訳がある。
レポートでは現状は次のように認識されている。
ただし、こういうのを見るときに注意として、まだ科学的にも不確定な要素があることに注意する。 とくに
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。
Kenneth S. Deffeyes "Hubbert's Peak -- The Impending World Oil Shortage" (Princeton Paperback)参考HP
[邦訳：ケネス・S・ディフェイス「石油が消える日」（パンローリング） :ただし、私はこの本を見ていないので、翻訳の質は未確認]
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
[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。
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。
ホームページを紹介した石井先生によると、2005 年がピークであったということだ。
世界中の油田の生産量が落ちてきている。Ghawar の生産量は依然として世界一だが、
もはやピークを過ぎているようだ。Burgan の生産量は、もはや世界第５位に転落している。
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) ただし、石油が高騰すれば、採掘にコストがかかる油田やらタールサンドも採算が取れるようになるので
石油資源の量が増えるということは起こる。資源の量は価格の関数であることに注意しよう。
(1-v) 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！
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) イラク戦争や地球温暖化問題の背景：アメリカの石油戦略、日本の石油戦略
イラク戦争の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。
また地球温暖化問題がエネルギー獲得競争であるという面も考えておこう。