二酸化炭素の濃度はとても小さいのに、なぜ地球の気候に重要な影響を及ぼすのかとよく尋ねられます。それは、わずか地球の大気の0.041%にすぎないのに、という点です。さらに、人間の活動による排出は、その量のうちわずか32%を占めるにすぎません。
私は大気中のガスが大気汚染と気候変動に与える重要性を研究しています。二酸化炭素が気候に強い影響を及ぼす鍵は、地表から放出される熱を吸収し、宇宙へ逃げるのを妨げる能力にあります。
初期の温室効果の科学
1850年代に、二酸化炭素が気候にとって重要であることを最初に特定した科学者たちも、その影響力には驚かされました。それぞれ独立して研究を進めたジョン・ティンダル（イングランド）とユーニス・フート（アメリカ合衆国）は、二酸化炭素、水蒸気、メタンはいずれも熱を吸収する一方で、より多く存在する気体はそうではないことを明らかにしました。
科学者たちは、地表に届く日光の量から考えて、地球は本来あるべき温度より約59华氏度（33摂氏度）高温になっていると既に計算していました。この食い違いについて最も有力な説明は、大気が熱を保持して惑星を温めている、というものでした。
ティンダルとフートは、大気の99%を合わせて占める窒素と酸素は、熱を吸収しないため、地球の気温にほとんど影響を与えていないことを示しました。むしろ、はるかに少ない濃度で存在する気体こそが、熱を閉じ込めることで、地球を居住可能にする気温を保つ役割を完全に担っていることを見いだしました。その結果生まれるのが自然の温室効果です。
大気の毛布
地球は太陽からエネルギーを絶えず受け取り、それを宇宙へ再放射しています。惑星の気温を一定に保つためには、太陽から受け取る正味の熱が、地球から放出される熱と釣り合っている必要があります。
太陽は高温であるため、主に紫外線および可視光の波長域で短波放射の形でエネルギーを放出します。地球は太陽よりはるかに低温であるため、より波長の長い赤外線放射として熱を放出します。
二酸化炭素やその他の熱を閉じ込める気体は、赤外線放射を吸収することを可能にする分子構造を持っています。分子内の原子間の結合は、ピアノの弦の音程のように、特定の方法で振動することができます。光子のエネルギーが分子の振動数と一致すると、その光子は吸収され、そのエネルギーは分子へと移ります。
二酸化炭素やその他の熱を閉じ込める気体は、3つ以上の原子を持ち、その振動数は地球が放出する赤外線放射と対応しています。酸素と窒素は、分子内の原子が2つしかないため、赤外線放射を吸収しません。
太陽からの短波放射の大部分は、吸収されることなく大気を通過します。しかし、地球から放出される赤外線放射の大部分は、大気中の熱を閉じ込める気体によって吸収されます。その後、それらの気体は熱を放出（再放射）することができます。その一部は地表に戻り、そうでない場合よりも地表を温かく保ちます。
熱の伝達に関する研究
冷戦中には、多くの異なる気体による赤外線放射の吸収が広く研究されました。この研究は米空軍が主導したもので、空軍は赤外線追尾ミサイルを開発しており、空気中を通過する熱をどのように検出するかを理解する必要がありました。
この研究により、科学者たちは太陽系内のすべての惑星について、その赤外線の特徴を観測することで、気候や大気の組成を理解できるようになりました。例えば、金星は厚い大気の96.5%が二酸化炭素であるため、約870華氏度（470摂氏度）に達しています。
この研究は、天気予報や気候モデルにも役立ち、大気中に保持されて地表に戻る赤外線放射の量を定量化することを可能にしました。
水蒸気は赤外線放射をより多く吸収し、2つの気体はいくつかの同じ波長で吸収するのに、なぜ二酸化炭素が気候にとって重要なのかと、私はよく尋ねられます。その理由は、地球の上層大気が宇宙へ逃げる放射を制御しているからです。上層大気は地表付近に比べてはるかに密度が低く、水蒸気もはるかに少ないため、二酸化炭素を追加することは大きな影響を与えます宇宙へ逃げる赤外線放射の量に。
温室効果の観測
平均気温が同じであっても、砂漠は森林よりも夜間に寒くなることが多いことに気づいたことはありますか。砂漠の上空の大気には水蒸気がほとんどないため、砂漠から放出される放射は容易に宇宙へ逃げていきます。より湿潤な地域では、地表からの放射は空気中の水蒸気に閉じ込められます。同様に、曇りの夜は、より多くの水蒸気が存在するため、晴れた夜よりも暖かくなる傾向があります。
二酸化炭素の影響は、過去の気候変動にも見ることができます。過去100万年にわたる氷床コアの分析では、温暖な時期には二酸化炭素の濃度が高く、約0.028%であったことが示されています。氷期には、地球は20世紀よりも約7～13華氏度（4～7摂氏度）低温であり、その時の二酸化炭素は地球は約7～13華氏度（4～7摂氏度）低温でしたが、二酸化炭素はわずか約0.018%を占めていたにすぎません。
水蒸気は自然の温室効果にとってより重要ですが、過去の気温変化を引き起こしてきたのは二酸化炭素の変化です。対照的に、大気中の水蒸気量は気温に応じて変化します。地球が温暖化すると、その大気はより多くの水蒸気を保持できるようになり、これが当初の温暖化を増幅させます。この過程は「水蒸気フィードバック」と呼ばれます。二酸化炭素の変動したがって、過去の気候変動を支配的な影響を及ぼしてきたのは二酸化炭素の変動です。
小さな変化、大きな影響
大気中のわずかな量の二酸化炭素が大きな影響を及ぼすことは、驚くべきことではありません。私たちは体重のごくわずかな量にすぎない錠剤を服用し、それが体に作用することを期待しています。
現在の二酸化炭素の濃度は、人類の歴史上のどの時点よりも高くなっています。地球の平均地表温度は、1880年代以降すでに約2華氏度（1摂氏度）上昇していると、科学者の間で広く合意されています。また、人間活動による二酸化炭素やその他の熱を閉じ込める気体の増加が、すでに約2華氏度上昇しています（1摂氏度）上昇しており、その原因は極めて高い確度で人間活動にあるとされています。
排出を抑制する対策を講じなければ、二酸化炭素は2100年までに大気の0.1%に達する可能性があり、これは産業革命以前の水準の3倍以上です。これは、地球の過去における移行よりも速い変化であり、甚大な影響をもたらすことになるでしょう。対策を講じなければ、大気のこのわずかな層が大きな問題を引き起こすことになります。
