RealClimate: 6 つの簡単なステップでわかる CO2 問題 (2022 年の最新情報)

2022 年 7 月 10 日、ギャビン

私たちの最も読まれている古い投稿の 1 つは、CO2 の増加が重大な問題である理由を段階的に説明したものです (6 つの簡単なステップでわかる CO2 問題)。 しかし、これは 2007 年に書かれたもので、今から 15 年も前です。 基本的な手順とコンセプトは変わっていませんが、15 年分のデータが追加され、詳細とコンセプトの一部が更新され、テキストに付随するグラフィックスも向上しています。 そこで、もう少し役立つはずの、緩やかに更新され参照されたバージョンをここに示します。

ステップ1：自然の温室効果があります。

自然の温室効果があるという事実 (大気が地表から宇宙への赤外線 (IR) 放射の通過を制限する) は、次のことから簡単に推測できます。 i) 地表の平均温度 (約 15℃)、および ii) 惑星が通常、放射平衡に近いことを知っていること。 これは、周囲に上向きの表面 IR フラックス (約 398 W/m2) が存在する一方、大気の上部での外向きフラックス (TOA) は吸収される正味日射量 (約 240 W/m2) にほぼ等しいことを意味します。 したがって、大気によって吸収される赤外線は大量にあるはずです (約 158 W/m2)。温室効果物質が存在しない場合、この数値はゼロになります。 この IR 放射は、太陽から来る短波 (SW) 放射と区別するために、長波 (LW) 放射と呼ばれることもあります。

ステップ2：微量ガスは自然の温室効果に寄与します。

さまざまな吸収体が大気の赤外線吸収に寄与しているという事実は、水蒸気、CO2、O3、雲、メタン、CFC などに関連する特徴的なギャップを示す、宇宙から観測されたスペクトル (右) から明らかです。唯一の問題は、総エネルギーがどれだけであるかです。それぞれにブロックされました。 これは手動で計算することはできません (吸収線の数と圧力広がりの影響により計算できません) が、放射伝達コードを使用して計算できます。 スペクトルの一部の部分では、IR は CO2、水蒸気、または雲によって吸収される可能性がありますが、これらの重複を考慮すると、温室効果の 50% が水蒸気、25% が雲、そして約20% は CO2 から、残りはオゾン、エアロゾル、その他の微量ガスによって吸収されます (Schmidt et al、2010)。 大気の主成分 (N2、O2、アルゴン) は IR 波長範囲をあまり吸収しないため、温室効果には寄与しないことに注意してください。

ステップ 3:微量の温室効果ガスは人間の排出により著しく増加している

CO2 濃度は産業革命前から 50% 以上増加し、メタン (CH4) は 2 倍以上になり再び加速しており、N2O は 15% 増加し、対流圏の O3 も増加しています。 ハロカーボン (CFC、HFC) などの新しい温室効果ガス化合物は、産業革命以前の大気中には存在しませんでした。 これらの増加はすべて、温室効果の強化に貢献します。

これらの増加の原因は、化石燃料の燃焼、埋立地、鉱業、石油・ガス事業、農業（特にメタンのための家畜）、および工業が大半を占めています。

ステップ 4:放射強制力は有用な診断であり、簡単に計算できます。

単純なおもちゃのモデルとより洗練された GCM の経験から得た教訓は、発生源が何であれ、TOA 放射線バジェットに対するあらゆる摂動は、最終的な表面温度変化のかなり優れた予測因子であることを示唆しています。 したがって、太陽が約 2% 強くなると、TOA 放射バランスは 0.02*1361*0.7/4 = 4.8 W/m2 (アルベドと幾何学を考慮して) 変化します (出ていくエネルギーよりも入ってくるエネルギーの方が多くなります) 。 これは放射強制力 (RF) を定義します。 温室効果吸収物質の増加、またはアルベドの変化は、TOA バランスに同様の影響を与えます (出て行くエネルギーよりも入ってくるエネルギーの方が多くなります)。 ただし、放射強制力の計算も、温度、水蒸気、エアロゾルの大気プロファイルを考慮する放射伝達コードの仕事になります。 IPCC AR6 報告書では、Etminan et al (2016) による最新の推定値が使用されています。これは、CO2 の簡略化されたよく使用される式である RF = 5.35 ln(CO2/CO2_orig) に似ていますが、それよりもわずかに複雑です (図を参照)。 IPCC TAR の表 6.2)。

CO2 RF の対数形式は、いくつかの特定の波長がすでに飽和しており、強制の増加が「翼」に依存しているという事実から来ていることに注意してください (詳細については、この投稿を参照してください)。 低濃度ガス (CFC など) の強制は濃度が線形です。 雲、その特性、空間的不均一性に関するさまざまな仮定は、全球平均強制力が約 10% 不確実であることを意味します。 したがって、CO2 が 2 倍になる場合の RF はおそらく 3.9±0.5 W/m2 となり、これは太陽光強制力の 2% 増加と同じ桁です。

放射強制力の概念には、いくつかの小さな工夫があります。 表面温度の変化とは関係のない、GHG またはエアロゾル濃度の変化に非常に迅速に反応するプロセスが多数あります。 これらの調整が行われた後、この「有効な」強制を計算すると、ERF が最終的な温度上昇をより正確に予測できるようになることがわかりました。 そのようなプロセスの 1 つは、成層圏の放射線バランスに重要な役割を果たしている CO2 で起こる成層圏の調整であり、もう 1 つはエアロゾル変化後の雲の非常に速い変化です。 もう 1 つのしわは、強制作用物質の空間分布にわずかに依存しており、異なるフィードバックとプロセスが作用する可能性があるため、2 つの異なるソースからの同等の強制作用が同じ反応を与えない可能性があります。 この効果を定量化する係数は強制の「有効性」と呼ばれ、ほとんどの場合、合理的に 1 に近いため、0 次の状況は変わりません (Hansen et al、2005)。 これは、気候強制を単純に追加して最終的な効果を近似できることを意味します。

ステップ 3 で述べた微量温室効果ガスによる強制力の合計は、現在 (2019 年まで) 約 3.3 W/m2 であり、正味強制力 (エアロゾルや自然変化による冷却影響を含む) は、地球温暖化以前から 2.7±0.8 W/m2 です。産業用（IPCC AR6 第 7 章）。 不確実性のほとんどは依然としてエアロゾルの影響に関連しています。 現在の強制力の増加は二酸化炭素の増加が支配的であり、反射エアロゾル（硫酸塩、特に米国とEU）の減少と吸収エアロゾル（煤のような、特にインドと中国およびバイオマス燃焼からの）の増加の役割が増大している。

ステップ5:CO2 の 2 倍に対する気候感度は約 3℃

古典的に定義されている気候感度は、すべての「速いフィードバック」（大気温度、雲、水蒸気、風、雪、海氷など）が発生した後、「遅いフィードバック」が発生する前の、強制力に対する地球の平均気温の反応です。 」というフィードバックが始まった（氷床、植生、炭素循環など）。 どの力が変化しているかはあまり重要ではないことを考えると、感度は力の変化が既知であり、対応する平衡温度変化を推定できる過去の特定の期間から評価できます。 以前に議論したように、最終氷河期は大きな強制力（氷床、温室効果ガス、塵、植生による約 8 W/m2）により、大きな温度応答（約 5 ～ 6 ℃）が生じ、敏感性を示唆しています。約 3℃ (かなりの誤差範囲あり)。 より正式には、この推定値を 20 世紀の他の推定値、火山への対応、過去 1000 年、リモート センシングなどと組み合わせて、数値がどうあるべきかについてかなり適切な制約を得ることができます。 これは最近 Sherwood et al (2020) によって行われ、ご想像のとおり、3 ℃ (そして 2.3 ～ 4.5 ℃ というより厳しい不確実性限界) を導き出しました。

2 倍の CO2 の推定値をより有用な係数に変換すると、約 0.75 °C/(W/m2) となります。

ステップ6:放射強制力 x 気候感度はかなりの数です

現在の強制力は、気候が平衡に達するまでに地球が 2℃ (=2.7 W/m2 x 0.75℃/(W/m2)) 温暖化することを示唆しています。 海洋が暖まるには時間がかかるため、私たちはまだそこに達していません（これまでに経験した気温は1.2℃）。したがって、濃度を一定に保った場合、残りの〜0.8℃は「パイプライン内」になります（即時の〜70％に相当します）。排出量の削減）。 考えられる将来のシナリオでは、追加の強制力が 5 W/m2 に達する可能性があり、したがって追加の温暖化 (平衡時) は 3℃ 以上になる可能性があります。 興味深いことに、CO2 排出が完全に停止した場合、正味の熱吸収と放射力の減少はほぼバランスが取れ、気温がそれ以上上昇することは予想されません。 したがって、私たちの社会の柔軟性により、最終的にはこれら 2 つの極端の間のどこかに落ち着くことができるでしょう。

これらの温度変化は小さな数字のように思えるかもしれませんが、地球規模で考えると大きな問題です。 熱波、異常降水量、沿岸洪水などの統計の変化には、これまでの温暖化による影響がすでに現れています。 最後の氷河期は産業革命以前よりわずか 5 ～ 6 ℃気温が低かったことを思い出してください。これは大きな変化でした。 すでに「氷河期単位」の5分の1から4分の1が温暖化しており、以前は温暖化に1万年かかったのに比べ、最悪のシナリオでは数世紀で氷河期単位の温暖化が完了するという。

これはすでに顕著であり、排出が停止するまでさらに顕著になるだろう。

QED?

[オランダ語の翻訳あり]

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