7. 人為的な二酸化炭素の
人為的な二酸化炭素の排出な二酸化炭素の排出と脱炭素
排出と脱炭素運動と脱炭素運動
近年の大気中の二酸化炭素
近年の大気中の二酸化炭素の変化の大気中の二酸化炭素の変化
第 3 章の「地球上には大量の水」の節で見てきたように、太陽系の地球は金星と同じ程度の脱出速度を持っていますが若干大きな半径の軌道を周回していますから、太陽から受ける熱や光などの輻射エネルギーが半分ほどしかなく、大気の温度が低いために、金星や火星より小さな脱出分子量 Me を示しています。地球が太陽からの適当な距離と惑星質量を持っていることから、水素やヘリウムなどの小さな分子量の分子は宇宙の彼方に飛び去ってしまいましたが、表 3-4 の緑色地に掲げた分子量がそれぞれ 28 と 32 と 27 の酸素や窒素やシアン化水素は宇宙に脱出することなく地球に残存して大気の主成分を構成しました。さらに、水もほとんど脱出することなく地球に残りましたが、地表の環境では水は液体の状態で主に存在しますから、海が地球の 70％を覆う豊かな水の惑星になったと思われ、太陽からの適当な距離と適当な質量を持つという 2 つの偶然が大量の水に恵まれた地球を形作りました。地球上ではカルシウムイオンが多量に溶け込んだ海の中に二酸化炭素は溶
けて炭酸カルシウムとして沈殿しましたから、大気の主成分が二酸化炭素の金星や火星と異なり、長年の間に大気中では約 300ppm の濃度で平衡に達していました。
前章までに見てきたように、二酸化炭素は有用な気体として利用されていましたが、害毒を示すものとしては認識されていませんでしたから、ほとんど大気中の濃度を測定す
ることがありませんでした。二酸化炭素の排出は日常生活に密接に関係していますから、都市部では濃度が高く、経済的な景気の変動にも大きく影響されます。そのため地球上の人里離れ海に囲まれた各地で大気中の二酸化炭素の濃度が定期的に測定されるようになりました。1950 年以降にハワイ州マウイ島や宮城県綾里や南鳥島で測定された二酸化炭素の濃度が世界気象機関や気象庁から報告されていますので、それらの平均値を青色の丸印で
図 7-1 に示します。これらの測定値を表す近似式の値も青色線で図 7-1 に示しましたが、これにより測定値の無い過去 10 年間と近未来の 10 年後の濃度も推定できるものと思われます。この図から明らかなように過

実測値
近似式値
脱炭素40
脱炭素40％予測値
40％予測値
脱炭素50
脱炭素50％予測値
50％予測値
脱炭素75
脱炭素75％予測値
75％予測値ppm

去 60 年間に大気中の二酸化炭素濃度

400は約 320ppm から 1.3倍増加しており、

350

増加速度が上向いていることも認められます。
火を熾すことは

300
1940

1960

1980

2000

2020 西暦

図 7-1 大気中の二酸化炭素濃度と脱炭素効果予測
大気中の二酸化炭素濃度と脱炭素効果予測

人類以外の動物に75

は真似のできない知識と技術で、人類が霊長類と自称して差別してきた文明の根幹をなすものです。しかし、長年にわたり人類は植物が二酸化炭素と水と太陽の光で生合成した葉や枝や幹などを燃料としていましたから、大気中の二酸化炭素の濃度に変化を齎すことがありませんでした。17 世紀に英国で起こった産業革命の世界中への展開により、石炭などの化石燃料の燃焼によるエネルギーの利用が飛躍的に増大しましたが、それとともに二酸化炭素が大量に排出されました。資源エネルギー庁の資料を基にした図 7-2 に示すように、
近年は石炭の他に石油や天然ガスもエネルギーの発生源として用いられるようになりまし
たから、これらから放出された大量の二酸化炭素が大気中の濃度を押し上げているものと考えられています。全世界の石炭や石油や天然ガスの消費量をもとに算出された二酸化炭
素の排出量の推定値が日本などの世界の 30 か国が加盟する世界エネルギー機関（IEA）から報告されています。図 7-3 に赤色の丸印で示した推定値から、1950 年には全世界で6000Mt（6x1012kg）の二酸化炭素が排出されていましたが、その後の 70 年間に約 6 倍に排出量が増加して 2019 年には 37600Mt（3.76x1013 ㎏）が排出されたと推定されています。中東戦争やオイルショックなど各国の政策や経済の情勢の変化の影響を受けてグラフが多少踊っていますが、二酸化炭素の排出量の増加傾向を図 7-3 の赤色線で示すような近似式により過去から未来まで考えてみます。

Mt
12000

地球の全大気の重10000

量 は 5000000000Mt

8000（5x1018kg）、比重は6000

1.251kg/m3 と 見 積 も4000られていますから、

2000

2019 年に排出された二酸化炭素は大気中01965と算出できます。し炭素の濃度は前年に

石炭

1975

1985

1995

2005

2015 西暦

Mt
40000

かし、全世界の 2020年の大気中の二酸化石油

図 7-2 化石燃料の消費量の二酸化炭素の濃度を約 5ppm 押し上げる

天然ガス

30000

推定実測値
近似式値

20000

比べて 2ppm しか増加
していません。大気
中の濃度を算出する
この方法により図 7-3の近似式の曲線は図

10000
0
1940

1960

1980

2000

図 7-3 二酸化炭素排出量の変化
二酸化炭素排出量の変化

7-4 の緑色線で示すよ
762020 西暦うな曲線に書き換えられます。
第 3 章の「大気中に二酸化炭素ののの少ない地球」の節で見てきたように、ヘンリーの法則によれば式 3-5 に示すように大気中の二酸化炭素の圧力に比例して二酸化炭素が水に溶け込むと考えられます。大気中の気体の圧力は濃度に比例し全体が 1 気圧（760mmHg）
を保ちますから、2020 年の二酸化炭素の圧力は 315x10-6 気圧（0.239mmHg）と考えることができます。また、地表の約 70％を占める海の面積は 360000000km2（3.6x1014m2）と見積もられており、波ppm

や対流などにより

8

ヘンリーの法則による限界
推定実測吸収量
推定排出量

海水が攪拌して気体の溶解に影響する深さを 5m と仮定

64

し ま す と 式 3-5 から、大気中の濃度

2が 8.58ppm 下がる量

0の二酸化炭素が海

1940に溶けて海水中の

1960

1980

2020 西暦2000

図 7-4 海が吸収する二酸化炭素量

カルシウムイオンにより沈殿してゆくと考えられます。二酸化炭素の海水に溶けて吸収す
る量は大気中の濃度に比例しますから、地球全体が吸収出来る二酸化炭素量が図 7-4 の青色線に示すように示されます。
このように大気中の二酸化炭素の濃度は人為的な排出量で増加し、海の水に溶けて吸収されて減少しますから、n 年の二酸化炭素の大気中の含有量を Dn、人為的排出量を Hn、海に溶けて減少する量を An とするとき式 7-1 のように纏めることができます。濃度 Dn と排出量 Hn に実測値を代入しますと割合 An が求められます。海に吸収される量 An はヘンリーの法則により大気中の二酸化炭素の含有量に比例しますから、式 7-2 のような関係になります。含有量 Dn と海に溶けて減少する吸収率 Rn の関係は図 7-5 の青色線で示すようになり、赤色線で示す近似式が式 7-3 に示す相関係数 0.9991 の 2 次関数で表されます。ここで求めた赤色線の近似式と二酸化炭素の濃度の近似式を組み合わせますと海に溶けて減少する量も近似できますので、図7-4 に赤色線で示します。図 7-4

吸収率
0.6%

の青色線で示すヘンリーの法則をもとにした海水の吸収率に対して、式 7-3 で求められる実際の吸収率 Rn は図 7-4 の赤色線で示されるものでその割合は 5～30％と見積もられます。海が吸収できる限界量に対して吸収さ

0.4%
0.2%

吸収率
値

0.0%
300

350

400

濃度(ppm)濃度

図 7-5 海水中などへの吸収係数77れている実際量のかなり少ないことがわかります。

‫ܦ‬௡ାଵ = ‫ܦ‬௡ + ‫ܪ‬௡ − ‫ܣ‬௡

式 7-1‫ܣ‬௡ = ܴ௡ ∙ (‫ܦ‬௡ + ‫ܪ‬௡ )式 7-2

ܴ௡ = −9.44 × 10ି଼ ‫ܦ‬௡ଶ + 0.000109‫ܦ‬௡ − 0.0233

式 7-3

式 7-1 と式 7-2 と式 7-3 をもとにすれば、仮定した排出量 Hn に対して大気中の二酸化炭
素の濃度 Dn の変化が仮想できると思われます。脱炭素運動により 2000 年以降の二酸化炭
素の人為的な排出量が半減したと仮定しますと、大気中の濃度はほとんど増加の見られな
い図 7-1 の黄色点線で表されるように算出されます。また、脱炭素の努力により排出量を25％まで減らすことができれば、図 7-1 の赤色点線のように大気中の濃度が減少に転じることを示しています。
第 3 章の「大気中に二酸化炭素の少ない地球」の節で見てきたように、地球誕生から
45 億年の間に大気中の二酸化炭素は石灰石や大理石などの堆積岩として固定化され、大気中に含まれている二酸化炭素の濃度は総量が一定値の 1.8 x 1015 kg に止まって平衡に達していました。産業革命以後に石炭や石油などの化石燃料を大量に燃やして人類は大量の二酸化炭素を排出してエネルギーを浪費する生活を始めました。海水中には多量のカルシウ
ムやマグネシウムがイオンとして溶け込んでいますから、炭酸塩として固化する能力を未だ充分に残していますが、この 2 本の曲線の比較から炭酸塩として固化による自然浄化の速さが人類のエネルギーの浪費による二酸化炭素の排出量に追い付きません。図 7-1 に点線で示したように人類のエネルギーの浪費により排出される二酸化炭素が現在の半量以下に抑えられれば、大気中に含まれる二酸化炭素の濃度は減少に向かうと考えることができます。このように考えてくると人類がエネルギーを浪費する生活で排出している大量の二酸化炭素も遠い将来には産業革命以前の大気中の濃度に戻りますが、一時的に地球を大きく汚染することが危惧されます。
1 モル当たりの熱量の値で表されている燃焼熱は化学的な視点では極めて便利で理解し易い単位ですが、1 モルの重さも体積も化合物により異なります。日常生活では燃料の液化天然ガス(LPG)や自動車用ガソリンや灯油や軽油や A 重油や石炭は通常 kg などの重さやL などの体積で商取引されていますから、1 モル当たりの熱量の値でそれらの発熱量を生活感覚で比較するときには不便です。そのため日本国内の液化天然ガスと自動車用ガソリ
ンと灯油と軽油と A 重油と石炭について 2018 年の 1kg 当たりのそれぞれ平均店頭価格と発熱量と二酸化炭素発生量を表 7-1 に纏めました。この比較から取り扱い難い固体の石炭は価格が安く二酸化炭素の発生量が約 2 倍多いことが分かります。液状の石油類は二酸化炭素の発生量がいずれもほぼ同じですが、取り扱い易いガソリンが極めて高価です。天然
ガスは価格の面でも二酸化炭素発生量でも優れた化石燃料ですが、気体であるために輸送にパイプラインや液化設備や低温高圧の容器からなる輸送船など特殊な施設を要するため
78

に取り扱いに表 7-1 1 ㎏の燃料の性質

制限がありま燃料

発熱量kcal/kg

石炭
天然ガス
A 重油
軽油
灯油
ガソリン

6355
15332
10614
11129
11098
11170

す。その上、
石炭は野積みも可能で特別の貯蔵施設を必要としませんが、石油類は地震や風水価格(2018)\/kg\/kcal
11.8
54.3
75.4
83.1
88.9
176.2

0.00190.00350.00710.00750.00800.0158

CO2 発生量mg/kcal
kg/kg
3.67
577
2.76
180
3.19
300
3.11
280
3.11
280
3.09
276

害に耐える貯蔵タンクを必要としますし、天然ガスは低温で高圧のタンクを必要とします。
このように考えてきますと、石炭は極めて安価なエネルギー源ですが、多量の二酸化炭素を放出します。石油は高価でしかも二酸化炭素をそれなりに放出します。大規模にエネル
ギーを消費する場合には、気体燃料に特有の施設の経費が割安になりますから、天然ガス
は二酸化炭素の発生も少なく安価なエネルギーと考えることができます。
2018 年に世界中で燃やされた化石燃料は石炭 5846.7Mt と石油 4462.1Mt と天然ガス
2713.7Mt でしたが、このうちで石炭をすべて天然ガスで置き換えますと新たに 2423Mt の天然ガスが必要になります。この置き換えにより、約 62.6 兆円の経費増を伴いますが14800Mt の二酸化炭素の減少が可能になります。2018 年の二酸化炭素の排出量は 37597Mtと推定されていますから、約 40％の脱炭素化が進行することになります。2000 年にこの置き換えが開始したと仮定しますと、図 7-1 の緑色の点線のように若干二酸化炭素の濃度増加が抑えられます。近年の技術革新により、回収が難しいとされてきた天然ガスも効率的に採掘できるようになり、天然ガスの技術的可採埋蔵量は 803 兆 m³と推定されています。しかし、石炭から天然ガスへの置き換えはエネルギー価格の上昇ばかりでなく、石炭産業を生業とする国や地域や人々を犠牲にしますから、必ずしも一朝一夕にして可能になるとも思えません。
太陽系の金星と地球と火星の 3 個の惑星は、45 億年前に同じように誕生しましたから、地殻の元素組成も大気の組成もほとんど類似していたものと考えられます。しかし、地球は潤沢なエネルギーを常に供給してくれる太陽から適当に離れた距離を周回する適度の大きさを持つ天体であったために、水素とヘリウムだけを宇宙の彼方に失いましたが多量の水や窒素や酸素を保持することができました。海に覆われた地球では水を介して二酸化炭素が火成岩中に多量に含まれている酸化カルシウムと結合して炭酸カルシウムとして沈殿したため、長い年月の間に地球の大気中の二酸化炭素濃度が減少していったと考えることが出来ます。このような極めて多くの偶然が重なって、地球という二酸化炭素が少ない水の惑星が生まれたことを神に感謝すべきではないでしょうか。

79

水素は脱炭素に有効？
水素は脱炭素に有効？
石油類には種々の飽和炭化水素が含まれていますが、それらの炭化水素は 11～12kcal/gの熱エネルギーを放出して二酸化炭素と水に酸化されます。この熱エネルギーで自動車を動かし、発電機を回して電力に変えています。しかし、海の中で炭酸カルシウムなどへの変換による浄化作用が人為的な二酸化炭素の大量の排出に追い付きません。大気中に蓄積しつつある二酸化炭素の増量が温室効果を生み、地球温暖化に繋がっているのではないかと考えられて、脱炭素化がこの問題の有効な解決策と考えられています。天然ガスの主成
分はメタンですから、二酸化炭素の発生量の割合が少なく有効な脱炭素化の方法と考えられますが、前節で見てきたように石油や石炭などの燃料を天然ガスで置き換えることは現在かなりの経費の増大を招きます。表 4-4 に掲げたように水素の燃焼熱が 34.0kcal/g（68kcal/mol）で、13.2kcal/g（211kcal/mol）のメタンと比較して水素の発生するエネルギーが 2.5 倍ほど大きく、しかも二酸化炭素を全く発生しません。そのため最も有効な脱炭素化策として提案されています。
第 3 章の「地球上には大量の水」の節で見てきたように、誕生間もない 45 億年前には地球上も水素分子で被われた非常に高い還元状態の環境で、酸素は水に還元されてしまい
大気中にはほとんど存在していませんでした。しかし、長い時間の間に軽くて拡散し易い
水素は地球から次第に宇宙の彼方に飛散してゆきました。水素が無くなるとともに、わず
かながら水の分解する反応が進行しましたが、このような分解で生じた水素まで宇宙に散逸してゆき、徐々に大気中の酸素の割合が高くなって地球は次第に酸化状態の環境になってきました。現在の地球の大気は表 1-1 に示すように約 77％の窒素と約 20％の酸素で構成され、水素は非常に微量な 0.5ppm しか含まれていません。地球上に大量に存在し、水素原子を多く含む物質は水と石油や天然ガスに含まれる炭化水素だけに限られますから、脱炭素化策の燃料となる水素は水あるいは炭化水素から製造しなければなりません。
燃焼熱などの反応熱が結合エネルギーの総和にほぼ一致しますから、反応の経路や反応条件に関わらず系 A から系 B への反応熱は関与する素反応の反応熱を代数的に組み合わせることにより求められます。この関係を Hess は原系（系 A）から生成系（系 B）までの反応熱の総和を含む熱化学方程式としてまとめました。純粋の水はあまり電導性がよくありませんが少量の硫酸を電解質として加えた希硫酸は電流をよく通すようになります。この希硫酸は水素陽イオンと硫酸イオンに解離していますが、ここに電極を装着して発電所で発電した電流を通電しますと、図 4-5 に示すように水素陽イオンに電子が強制的に送り込まれて還元反応が進行し、陰極で水素が発生します。同時に水から電子が引き出されて水素陽イオンとともに陽極では酸素が発生します。このとき希硫酸に電流を流すことにより酸素と水素が 1： 2 の割合で発生する水の電気分解が進行し、硫酸は触媒として働き全く反応の収支には関与しないことが分かります。この水の電気分解を熱化学方程式で表しますと図 7-6 の黒色文字のようになり、水から 1mol の水素を調製するのには 68kcal の電気エネルギーを必要とします。

80

(1)
(2)

C + (2-2y)H2O + yO2 = CO2 + (2-2y)H2 + (136y-41)kcal/mol
C8H18 + (2y-16)H2O + yO2 = 8CO2 + (25-2y)H2 + (136y-378)kcal/mol
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 211kcal/mol
H2 + 0.5O2 = H2O + 68kcal/mol
C + 0.5O2 = CO + 27kcal/mol
CO + 0.5O2 = CO2 + 68kcal/mol
図 7-6 水蒸気改質法を表す熱化学方程式
水蒸気改質法を表す熱化学方程式

また、図 6-2 に纏めた水蒸気改質法の変化を石炭の主成分の炭素を例に示しますと図 7（1））の熱化学方程式で表されます。方程式を基に連立方程式を解きま6 の青色文字で示す（
すと酸素を加えないとき（y＝0）には反応熱が－41kcal/mol となり、大きな吸熱を伴う反応と考えられ、通常の条件では反応が進行しません。この水蒸気改質法においてガソリンの主成分のオクタン（C8H18）に約 3 倍 mol の酸素を加えますと、一部オクタンが燃焼して発熱しますから、図 7-6 の赤色文字で示す（（2））の熱化学方程式のように発生する水素の量は減りますが、わずかに発熱しながら反応が進行します。1g ずつの炭素とオクタンの完全燃焼に要する酸素の量を 100％としたときの酸素の量の変化による、水蒸気の存在下これらの燃料の水蒸気改質法における水素の生成量と反応熱を図 7-7 のそれぞれ実線と点線で示しました。この図からも明らかなように、加える酸素の量を増やせば温度が上がり反応が速やかに進行しますが、水素の収量が減少します。逆に酸素を減らせば温度が下がり反応が遅くなりますが、水素を多量に生成します。
図 7-7 から読み取れるように 1g の炭素を用いる水蒸気改質反応において 1.5L(30％)未
満の酸素しか加えないと、吸熱反応ですから反応が容易には進行しませんが、1.5L 以上の

g
3
kcal
2

10

1

5

0

0

-1

H2O
CO2
H2
反応熱
燃焼熱

H2O
CO2
H2
反応熱
燃焼熱

40%

60%

-5

-2
0%

20%

80%

-10
酸素量

図 7-7 炭素（実線）とオクタン（点線）の水蒸気改質
炭素（実線）とオクタン（点線）の水蒸気改質法
水蒸気改質法における酸素の影響
81酸素を加えますと水素を約 2.6L 発生します。1g のオクタンに 2L(23％)以上の酸素を加えますと発熱を伴い自働的に反応が進行し、水素を約 3.8L 発生します。これらの反応において図 7-7 の赤色線で示すように発生する二酸化炭素の量は常に 1g ずつの炭素とオクタンを完全燃焼したときに発生する量に等しく変化がありません。この酸素を加えるときの水蒸気改質法の傾向を考慮に入れて、工業的に水蒸気改質法で水素を生産するときに、加える酸素の量を調節して生産効率や触媒の効率などによる反応装置を適性温度に制御します。
1g ずつの炭素とオクタンの水蒸気改質反応で発生する水素を燃焼したときに発生するエネルギーも図 7-7 に黄色の実線と点線で合わせて示しました。これらの水蒸気改質反応
は熱化学方程式で考えてきましたから、図 7-7 に緑色線で示した反応熱と発生した水素の燃焼熱の総和はそれぞれ炭素とオクタンを完全燃焼したときに発生する燃焼熱に常に等しくなり、エネルギー保存の法則が成り立つように見えます。しかし、これらの熱化学方程式に示したように、炭素やメタンや水素は示された量の燃焼熱を放出しますが、その放出した熱エネルギーの一部分が実際には周囲の空気や反応容器を温めることに消費されます
から、熱化学方程式が成り立つ種々の素反応の組み合わせも実際には等式で表される方程式にはなりません。熱化学方程式はあくまで熱の収支が理想的になされる熱効率 100％を前提にしていますが、実際の複雑な系では熱効率は常に 100％に届きませんから、反応の進行につれて熱量の損失が起こり不等式で表される関係になります。このように Hess の提唱した熱化学方程式は連立方程式を解くだけで多くの反応の熱的な収支がわかりますから、容易に進行する発熱反応や強制的な反応条件を要する吸熱反応などの反応の全体像を把握できるばかりでなく、反応条件の詳細や反応に加える触媒や補助剤の有無や役割を検討するために役立ちます。
現在の地球上で水素原子を多く含む供給可能な物質は水と石油や天然ガスに含まれる炭化水素だけに限られますから、水素は水蒸気改質法あるいは電気分解により水あるいは炭化水素から製造しなければなりません。しかし、熱化学方程式で明らかなように、製造される水素の持つエネルギー量は製造するために要するエネルギー量より大きくなることが不可能です。しかも、水蒸気改質法ではそのエネルギー源は炭素あるいは炭化水素ですから、図 7-7 の赤色線で示すように完全燃焼によるときと同量の二酸化炭素を発生します。
水素製造のための発電所や水蒸気改質法による水素製造施設を人里離れた地域に集約して、副生する二酸化炭素を大気に拡散することなく処理すれば、人口集約地の二酸化炭素による汚染を抑えることはできます。
水素は脱炭素化の最も有効な燃料として脚光を浴びていますが、水素ガスは沸点が極めて低く液体や固体の状態で取り扱うことが困難と考えられ、かなり高い爆発性を持つため取り扱いの難しい気体です。一般に広く普及している 7000L 用のボンベは 53 ㎏ですから、ボンベ 1 本に充填しうる燃焼熱 34.0kcal/g の水素は 21200kcal の燃料となり、実質的な水素の燃焼熱は 0.4kcal/g と概算できます。比較のために約 3 ㎏のガソリン携行缶に入れた
20L のガソリンは総重量が 19kg で 186000kcal の燃料になり、実質的なガソリンの燃焼熱は82

9.8kcal/g と概算できます。このような水素のｇ当たりの小さな燃焼熱は自動車などの移動を伴う施設や機械の燃料には適していないことを意味します。このように考えてくると、水素は脱炭素化策の燃料としてその実用化には多くの難問が予想されます。

電力は脱炭素に有効？
電力は脱炭素に有効？
日本国内の平均発電量は図 7-8 に示すように東北大震災以前には約 1.15 兆 kwh で、その内訳は水力と火力と原子力 が そ れ ぞ れ 8.3 ％ と

億kW/h

10000

65.4％と 25.1％でしたが、津波による福島原子力発電所の事故により火力発電に

8000

水力
石炭
天然ガス
石油等
原子力
新エネ等

6000

よる割合が 88.6％に急増しました。風力や潮力や太陽光や地熱などの新しい発電方法による量は 2.2～8.1％に過ぎませんから、石油や石炭による火力発電に大きく依存しています。

4000
2000
0
1970

1980

1990

2000

2010

西暦

図 7-8 日本の発電事情

現在稼働している火力発電のエネルギー効率は約 40％と報告されています。しかも、大電力を発電している発電所が茨城県の鹿島など都心まで遠く 離れており、銅線を通して送電しています。銅は比重が 8.93g/cm3 と重く、電気抵抗が 17.3Ω/cm2 ですから、地震や強風などの自然災害への対応を考え合わせますと、高価で重い銅線を支えるためには非常に堅牢な鉄塔が必要になります。また、電圧を高くすれば電流量が小さくなりますから大電力を送電しても Joule 熱として損失する電力を抑えられますが、強い磁場の発生に伴い周囲に電波障害をもたらし、湿度や塩害による大地への放電や漏電などの電力の損失が大きくなります。長距離を送電する場合にはこれらの種々の要素に加えて、電線の素材となる銅の価格や発電に要する燃料の価格などの経済性も絡み合って現在の送電技術が用いられていますが、経済環境の変化や技術の進歩によりさらに送電技術も変化して行くことでしょう。言い換えれば現況の電力は多量の二酸化炭素を放出して生産されていますから、エ
ネルギー保存の法則と経済効率を考えれば電力を使うよりも直接石油や石炭を燃焼させて利用する方が二酸化炭素の発生量を抑えられると結論されます。
電力は瞬時に輸送できる便利なエネルギーですが、貯蔵することがかなり難しいエネ
ルギーです。昼と夜、夏と冬で太陽光発電の能力が著しく異なり制御ができませんし、風
力発電も風任せです。日本の国土には水力発電所を造る余地があまり残っていないようです。原子力発電は送電開始まで長時間を要し、一度発電が始まりますと大量の一定な電力が継続的に発電されます。しかも、チェルノブイリや福島の原子力発電所のように一度事83

故が発生しますと対処不可能になり膨大な被害を伴いますから、電力の供給を全面的に原子力発電に依存することに不安を感じます。火力発電は発電の制御が容易で、昼と夜や夏と冬で変化する電力需要に比較的容易に対応できますが、常に二酸化炭素の発生を伴います。このような種々の発電方法の特徴を考えますと、火力発電は二酸化炭素の発生による大気汚染の恐れがありますが、それに代わる発電方法が未だ開発されていませんから、全廃することは不可能に思われます。
近年、火力発電所や水蒸気改質による水素製造施設で、集中的に大量発生する二酸化炭素を冷却などの方法で分離濃縮し、地中深くに液状の二酸化炭素として埋蔵する方法が試みられています。図 2-7 の二酸化炭素の状態図で明らかなように二酸化炭素は約 7MPa
(70 気圧)で液体あるいは超臨界流体になり体積を縮小しますから、一時的な貯蔵が可能と思われます。しかし、2019 年に全世界の二酸化炭素の排出量が 37600Mt(3.76x1013 ㎏)です
から、地球全体の脱炭素の方法にはなりえません。その上、第 3 章の「地中から湧き出す
二酸化炭素」で見てきたカメルーン共和国のニオス湖からの二酸化炭素の噴出のように、突然の衝撃により地中に埋蔵した二酸化炭素が噴出する事故を完全に防げるか疑問が残ります。

水に支配される地球の気候と自然
火の上に架けた薬缶の水は次第に熱くなり 100℃で煮立ちますが、火から下ろせば次第に冷めてきます。沸騰しているお湯は薬缶が空になるまで 100℃で沸騰し続けます。同じように液体の温度は外部からエネルギーが加わることにより上昇し、放出することにより降下します。1g の水を 1℃上げるために必要なエネルギーを 1cal と 1896 年にエネルギーの単位として定義しており、熱容量は 1g の物質を 1℃上げるに要するエネルギー量で表します。熱容量の小さな物質では温度が急激に変化しますが、熱容量の大きな物質ではその変化はゆるやかになり、外部から影響するエネルギーが大きくてもその温度の変化は小さくなります。その上、融解熱に相当するエネルギーが外部へ放出されるときに、融点にある液体の物質は固体の状態に変化してゆき、完全に固体になるまでは温度が変化しません。
また、気化熱に相当するエネルギーが外部から加わるときも、液体物質が完全に気体の状態に変化するまでは物質の温度は沸点で一定します。逆に、気体物質は気化熱に相当する
エネルギーを放出して液化し、固体が液体に状態の変化をするときには融解熱に相当する
エネルギーを必要とします。そのため大きな融解熱や気化熱を持つ物質は多少のエネルギーの増減ではその状態の変化は一部分に限られますから、液体の状態は沸点を上限に融点を下限に保たれ、容易に気体または固体に完全に変化することがありません。水の融解熱と気化熱と熱容量の値が非常に大きいため、外部から受けるエネルギーの影響による水温の変化が緩やかで、水は凍結したり蒸発したりすることが非常に困難で、0～100℃の水温の液体の状態を維持します。

84

多くの偶然が重なって地球上には 1.4x1018t の水が残りましたので、地球の 70.8％は海で覆われています。他方、地球は毎日 1 回の周期で自転していますから、昼間は太陽エネ
ルギーを受けることができますが、夜間は全く太陽エネルギーが供給されません。当然、昼間は温度が上昇し、夜間は放熱しますから温度が低下します。地表を覆っている種々の物質の 1mL 当たりの熱容量を表 7-2 にまとめておきました。陸地を構成している土や種々の岩石の熱容量は水の熱容量と比較して約半分しかありませんから、海よりも陸地は 2 倍の速さで温度が変化します。昼間の太陽のエネルギーを受けて陸地は海上よりも高い温度まで暖められますから、陸地に接する空気も暖められて膨張します。膨張した空気は軽くなり対流を起こして上空に浮き上がりますから、そこに生じた空間を埋めるように海上の空気が流れ込んできます。反対に、夜間は海上と比較して陸地の温度が大きく降下しますから、陸地では上空の空気が沈むように逆方向

表 7-2 種々の物質の熱容量
種々の物質の熱容量の対流が起こり、海の方へ吹出します。結果として昼間は海から陸地に向かって海風が吹き、物質

夜間は陸地から海に向かって陸風が吹きます。

コンクリート0.5208そして、朝夕にそれぞれ陸地と海上で温度変化

アスファルト0.2860の逆転が起こりますから、そのときは風が止ま花崗岩

0.5400る凪となります。余談ながら、アスファルトの砂岩

0.4500

熱容量は水の 30％にも満たないと見積もられて石灰石

0.5902いますから、都会の舗装道路の表面の温度変化

土0.4928はさらに速いものと思われます。

水

1.0000熱容量(cal/mL･deg)

地球は地軸が 23.44°傾いたままで太陽の周りを公転していますから、太陽から送られてくるエネルギーの量が時間によっても季節によっても地域によっても大きく変化します。
東京において夏至の太陽エネルギーが冬至の太陽エネルギーの 1.9 倍まで強くなるように、北半球では冬は太陽から供給されるエネルギーが小さく、夏は大きなエネルギーが供給されます。そのため、昼夜で海風と陸風が交互に吹くように、夏は太平洋からユーラシア大陸へ海風の吹く夏型の気圧配置となり、冬は大陸から太平洋の方向に陸風が吹く状況の西
高東低の気圧配置になります。
太陽から地球に送られてくるエネルギーは毎秒 1x1013kcal と見積もられていますが、誕生以来 45 億年の間に地球は熱的に平衡の状態に達しましたから、現在では全く同量のエネ
ルギーを輻射熱として地球の外に放出するようになっています。しかし、太陽も生きていますから、多くの黒点が発生したりして短期的には活発に活動し、多くのエネルギーが太陽から地球に送られてくることもあります。そこで、太陽の活動が急に活発になり 2 倍のエネルギーが 1 年間地球に送られてきて海の水を暖めたと仮定しますと、海の水が約 0.2℃
上昇すると計算されます。水の気化熱と融解熱は非常に大きいために、この仮定に基づく計算では海の水が完全に蒸発するためには約 2800 年を要します。反対に太陽からのエネル
ギーが全く供給されなくなっても、完全に海が凍結するためには約 450 年を要します。
85

太陽の活発な活動により供給されるエネルギーの変化は多く見積もっても 10％程度しか増減しませんから、太陽から送られてくる毎秒 2x1013kcal のエネルギーが 1 年間海の水を温め続けるということは極めて乱暴な仮定ですが、それでも海の水の温度は 0.2℃しか変化
しないことになります。さらに、海の水が全て水蒸気になって蒸発することも、氷になって凍結することも全く考えられません。当然、海の水は 0℃以下に下がることも 100℃より高温になることもほとんど有りませんから、地球は温暖な気候を保つことができます。水が大きな熱容量と融解熱と気化熱を持つ液体ですから、大量の水で地球を覆っている海は気候に大きな影響を与えているばかりでなく、地球上の気温を一定に保つように調節する
緩衝効果を持っています。

二酸化炭素は温室効果ガス？
二酸化炭素は温室効果ガス？
絶対零度（0K、—273.15℃）では原子の運動が完全に停止すると定義されていますから、
通常の気温では分子を構成している原子は常に運動していると考えることができます。原子は低温では動きが小さく、エネルギーを受け取ると動きが大きくなり温度が上昇します。
逆に高温で激しく運動している原子はエネルギーを放出して次第に温度が下がるとともに動きが小さくなります。原子が蠢くときに要するエネルギーは熱容量と呼ばれ、物質の温度を 1℃上げるに要するエネルギーで表します。昼間は太陽のエネルギーを受けて温度が上り、夜間は受けませんから下がりますが、海と陸では熱容量が異なりますから温度変化の状況は多少異なります。同じように地球を覆っている大気を構成している種々の気体もそれぞれ異なる大きさの熱容量を持っていますから、気温の変化にそれぞれの気体は異なる影響を示します。物質の量が多ければ多くのエネルギーを必要としますから、表 7-2 の
黄色地に示す 1g 当たりの値のように基準になる量でその熱容量を比較します。気体の場合には 1 mol の気体はすべて同じ体積を持っていますから、表 7-2 の水色地には 1mol の気体
を 1℃上げるに要するエネルギー量も掲げておきます。この表から明らかなように、単原
子分子は蠢いても結合がありませんから相互作用がなく小さな熱容量を示します。2 つ以上の原子からなる分子ではそれらの原子が互いに独立して蠢きますから、原子を結び付けている結合が伸縮したり、結合角が角度を変えたりします。
このように原子は常に運動していますから、種々の結合は表 2-1 に掲げた結合距離の値
を中心にわずかながらもぞもぞと原子が蠢きます。結合エネルギーを表す図 2-1 の赤色線が極小となる結合距離が最も安定な状態ですから、結合軸に沿って僅かに動いて結合が伸びたり縮んだりするためにはエネルギーの供給を要します。同じように 3 つ以上の原子が互いに結合するときに生じる結合角も、エネルギー的に最も安定な角度から開いたり狭まったりするときにもエネルギーの供給を要します。この結合距離の伸縮運動や結合角の変角運動が影響して、結合数の多い気体分子は大きな熱容量を示しています。多くの原子が
表 2-1 に掲げたように 50～150kcal/mol の結合エネルギーで結ばれた分子において、それらの原子が蠢くときに生じる結合距離の伸縮運動や結合角の変角運動に要するエネルギーは86

1～11kcal/mol と測定されています。
Plank の定数を h とするときフォトン 1 つの持つエネルギーが電磁波の振動数νに比例
し、振動数は真空中では波長に反比例しますから、真空中の光の速さと波長をそれぞれ cおよびλとしますと式 5-1 が書き換えられ、電磁波の持つエネルギーが波長の短いほど大きいことも導かれます。実際、共有結合が 200 nm～600nm（2x10-7～6x10-7m）の波長の紫外線や可視光線を吸収してエネルギーの供給を受けますと結合の開裂を引き起こしますし、
1m～30m（1 x10-6～3x10-5m）の波長の赤外線を吸収して結合の伸縮や結合角の変角の運動をします。熱エネルギーや光エネルギーの供給により引き起こされた伸縮運動や変角運動が減衰するときには、分子はその運動に相当する熱エネルギーや光エネルギーを放出します。紫外線や可視光線から赤外線まで広い波長領域の光が太陽から地上に降り注いでいますから、日向ぼっこをすれば身体を構成している水など種々の分子が赤外線を吸収して伸縮運動や変角運動を引き起こし、その運動が小さくなる時放出する熱エネルギーや光エネルギーで身体が温まります。
二酸化炭素は図 2-5 に示すように炭素＝酸素結合で直線状に結ばれた分子構造をしていますから、原子の蠢きにより 0.116nm の結合距離から伸びたり縮んだりする伸縮運動による 4.26m（4.26x10-6m）と 7.46m（7.46x10-6m）の波長の赤外線と直線状の構造からの折れ曲がりの変角運動による 15.0m（1.50x10－5m）の赤外線を吸収します。また、水は図 26 に示すように 2 本の酸素―水素結合が 104.45 度く
くの字型に曲がった分子構造をしていますから、原子の蠢きにより 0.096nm の結合距離からの伸縮運動による 2.74m（2.74x10-6m）と 2.66m（2.66x10-6m）の波長の赤外線と、くくの字型に曲がった構造からの変角運動による 6.27m（6.27x10－6m）の赤外線を吸収します。また、メタンはm（3.30x10-6m）とm（3.4x10-6m）に伸縮運動、m（6.60x10-6m）とm（7.70x10-6m）に変角運動に相当する赤外線吸収が観測されます。通電して赤熱したニクロム線や燃え盛る備長炭は広い波長領域の赤外線を強く輻射していますし、人間の身体からも陽だまりのベンチからも赤外線は輻射しています。このような広い波長領域の赤外線のうちで、二酸化炭素も水蒸気もメタンもそれぞれ固有の波長の赤外線を吸収して伸縮運動や変角運動をします。
濃度の高い窒素と酸素の熱容量が大気の熱容量の大部分を占めていますが、水の蒸気
圧が温度により大きく変化しますから、それにつれて水蒸気による影響も変化します。年
平均湿度は東京で 66％、サハラ砂漠に近いニジェールのビルマやエジプトのアスワンでも23％と観測されています。これらの観測結果から、地球の各地では年平均湿度が約 40～60％と考えられます。このことを考慮して湿度 50％の空気 1m3 の熱容量を、地球を取り巻く大気に含まれる主な気体の成分比と熱容量と温度から求めて図 7-9 に纏めました。大気中の成分比に大きな差がありしかも熱容量にそれほど大きな違いがありませんから、大気を構成するそれぞれの気体の熱容量には桁違いに大きな差があります。すべての成分の熱容量を一つに纏めるために縦軸を対数目盛で表していますから、図 7-9 は概観の掴み難い
グラフになっています。気温 20℃においては湿度 50%の空気の熱容量は 296cal/m3 で、成87

分比の高い窒素と酸素の熱容量がそ

cal/m3100.0000

れぞれ 79％と 19％

10.0000を占めています。
水蒸気とアルゴンと二酸化炭素とネオンの熱容量がそ

合計
N2
H2O
O2

1.0000Ar

0.1000CO2
Ne

0.0100

He

れ ぞ れ 1.5 ％ と0.0010CH4

0.69 ％ と 0.04 ％ と0.0001H20.001 ％ を 占 め 、 そ

-20

0

20

40

60

℃

80

図 7-9 1m3 の空気中の各気体の空気中の各気体の熱容量
気体の熱容量れ以外のヘリウム
や水素やメタンは 1ppm 以下です。大気中には表 7-3 に掲げた種々の気体を含んでおり、
約 300cal/m3 の空気の熱容量により、地表から輻射した赤外線を吸収して地球外にエネル
ギーが逃げ去ることを抑える温室効果を示します。
太陽から地球に送られてくるエネルギーは毎秒 1x1013kcal と見積もられていますが、地球を取り巻く宇宙空間と比較して地表はかなり高い温度に温まっています。誕生以来 45 億
年の間に地球は熱的に平衡の状態に達しましたから、現在では全く同量のエネルギーを輻
射熱として地球の外に放出するようになっています。第 3 章の「大気中に二酸化炭素の少ない地球」の節で見てきたように、地球誕生から 45 億年の間に大気中の二酸化炭素は石
灰石や大理石などの堆積岩として固定化され、大気中に含まれている二酸化炭素の濃度も総量が一定値の 1.8 x 1015 kg に止まって

表 7-3 種々の気体の熱容量(20℃
種々の気体の熱容量 ℃)

平衡に達していました。産業革命以後に
石炭や石油などの化石燃料を大量に燃や

物質

分子量

して人類は大量の二酸化炭素を排出してH2

エネルギーを浪費する生活を始めましcal/g･deg

cal/mol･deg

2

3.4287

6.857

He

4

1.24254.970

た。海水中には多量のカルシウムやマグ

CH4

16

0.54488.717

ネシウムがイオンとして溶け込んでいま

NH3

17

0.50278.546

すから、炭酸塩として固化する能力を未

H2O

18

0.46558.379

だ充分に残していますが、炭酸塩として

Ne

20

0.24854.970

固化による自然浄化の量が二酸化炭素のCO

280.24836.952

排出量より少ないために人類のエネルギ

N228

0.2426

6.793

ーの浪費に追い付きません。

O2

32

0.19256.159

図 7-1 に青色線で示したように人類のAr

40

0.12444.970

エネルギーの浪費により排出される二酸

CO2

44

0.20158.866

化炭素は年々蓄積されて、大気中に含ま

SO2

64

0.14359.182

れる二酸化炭素の濃度は毎年約 2ppm ず

Cl2

71

0.11898.444

88

つ増加しています。この毎年の二酸化炭素の増加による温室効果は大気の温室効果の約2.7ppm に過ぎません。水蒸気の濃度が温度の上昇とともに大きく変化しますから、それに連れて図 7-9 の水色線で示すように熱容量も大きくなり温室効果が増大します。1℃の気温の上昇による 0.16％（1600ppm）の温室効果の増大に比べて、二酸化炭素の濃度の増加による温室効果は微々たるものと思われます。このように考えてくると人類がエネルギーを浪費する生活で排出している大量の二酸化炭素も遠い将来には産業革命以前の大気中の濃度に戻ると期待されますが、一時的に地球を大きく汚染することが危惧されます。しかし、エネルギーの浪費による気温の上昇は図 7-9 の水色線で示すように大気中の水蒸気量を増加させて温室効果を増大しますから、地球の温暖化に拍車をかけます。

89