大気汚染

大気汚染（たいき おせん）とは、大気中の微粒子や有害な気体成分が増加して、人の健康や環境に悪影響をもたらすこと。人間の経済的・社会的な活動が主な原因である。自然に発生する火山噴火や砂嵐、山火事なども原因となるが、自然由来のものは大気汚染に含めない場合がある。

概説

国際エネルギー機関(IEA)によると、2016年時点で年間650万人が大気汚染により死亡している。特に都市部を中心に汚染が悪化しており、経済協力開発機構(OECD)は2012年、「2050年には大気汚染による死者が水質汚染による死者を上回って環境悪化による死者の最大の要因になるだろう」と予測している。
世界保健機関（WHO）の2018年5月2日の発表では、世界人口の約90%が汚染された大気の下で暮らし、それが原因で年間700万人が死亡しているとの推計を示した。
なお、大気汚染は主に屋外における大気の汚染を指す。室内における大気（空気）の汚染は「空気質（大気質）の汚染」「空気質（大気質）の悪化」などという。発展途上国では薪の利用が多い事などから屋外汚染よりも室内汚染の方がリスクが遥かに高いとされる一方、都市部ではこれに都市化による屋外汚染が加わる形になっている。薪などによる室内汚染による死者は、2016年時点で年間350万人である。

研究と対処の進展

大気汚染の研究が進展したのは20世紀に入ってからである。著名な研究として、都市気候の中での大気汚染を論じたもの（A. クラッツァー(en)、1937年、ドイツ）、工業地域や都市での石炭の消費と大気汚染や煤塵の関係を論じたもの（C.E.P. ブルックス、1950年）、ロンドンにおける公園とその周囲の大気汚染を調べ比較したもの（C.W.K. ウェインライト、1962年）、大気汚染と都市計画について論じたもの（R.E. マン、1959年）などがある。これらを通じて集められた知見は法規制や大気汚染の予測へと進展する。
日本では、高度経済成長期の1960年代に大気汚染が増加するとともに研究が進展した。初期の著名な研究として東京・川崎の大気汚染について述べた伊藤、箕輪の研究があり、これをもとに両名は1965年に『大気汚染気象ハンドブック』を著している。1966年には学術誌『大気汚染研究』（現在の大気環境学会誌）が創刊されている。この頃から国や自治体など行政が主体となった組織的な研究が活発化した。1967年に制定・施行された公害対策基本法で「典型七公害」の一つとして大気汚染の規制が開始され、後の1993年には環境基本法に継承された。1968年には大気汚染防止法が制定されている。
中国では1980年代に研究が始まり、2001年には国内47都市の空気質予報のテレビ放送を開始している。
産業革命以来、燃料の主力は石炭であり、石炭の燃焼に伴う煤煙を多く含んだ「黒いスモッグ」による大気汚染が多かった。これに対処するため、煤煙の排出を規制することが行われた。煤煙を上空に送るほど気流は安定していて拡散しやすいことから、規制初期には煙突を高くする措置が取られた。例えば、日本では大気汚染対策初期の1970年頃から高さを増した集合煙突が増加した。しかし、これは発生源付近の地上の濃度を下げるだけで、汚染を拡散させているのに過ぎず、本質的な解決ではなかった。後に、煤煙を回収する集塵装置が開発・普及し、排気ガス処理が進む。

白いスモッグ・光化学スモッグの問題化と汚染の多様化

一方、先進国では20世紀中盤から、燃料の主力が煤煙を多く出す石炭から石油に替わっていった。これにより煤煙は減少したが、石油に多く含まれる硫黄分に由来する硫黄酸化物、また自動車から排出される窒素酸化物・炭化水素、窒素酸化物と炭化水素が化学変化を起こしてできる光化学オキシダントが増加し、これらを多く含んだ「白いスモッグ」が大気汚染の中心となった。
二酸化硫黄の対策として、硫黄分を回収する脱硫装置の開発・普及が進められた。日本では1970年頃から脱硫装置の設置が進んだため、東京の二酸化硫黄濃度は1960年代後半の約60ppbが1970年から1985年にかけて約5分の1に減少、1990年代初めには約10ppbになっている。またアメリカのニューヨークでも1960年代後半の約80ppbから1990年代初めに約11ppbまで減少するなど、先進国では20-30年間で最も多かった時期の6分の1程度に減少させている。またアメリカでは大気浄化法の1990年改正において二酸化硫黄、窒素酸化物、水銀に排出取引制度が導入され、排出総量の削減に寄与している。
こうして先進国では煤煙や硫黄酸化物が削減されたが、次に光化学オキシダントを多く含んだ白いスモッグ、いわゆる「光化学スモッグ」が問題化した。日本では1970年に初めて発生している。光化学オキシダントを引き起こす窒素酸化物や炭化水素は、先進国でも大きな削減はできていない状況にある。
短期的な健康被害を及ぼす汚染が減少した先進国では、長期的な健康影響への関心が高まり、揮発性有機化合物などの有害化学物質が問題となった。これらに対しても規制が行われ、現在も健康影響の評価が進められている。
一方、温室効果ガスによる地球温暖化、フロン類などによるオゾン層の破壊も、地球規模の大気汚染（地球環境問題）として浮上した。
また、被害の全貌が明らかになった訳ではないが、1950-1960年代には大気圏内核実験により地球規模で放射性降下物の濃度（降下物の放射能）が上昇した。その後低下して、1990年代にはほとんどなくなっている。

健康や公衆衛生への影響

二酸化硫黄は呼吸器症状や眼科症状、窒素酸化物は呼吸器症状、光化学オキシダントの大部分を占めるオゾンは単独では症状を引き起こさないが炭化水素は目への刺激症状を引き起こす。粒子状物質は主に呼吸器症状で、そのうち鉛は貧血や神経症状など、有害物質はそれぞれ特有の症状がある。また物質により強さは異なるが、臭いを伴う大気汚染物質も多数あり、大気汚染が悪臭としても認識されることがある。
公衆衛生の観点から大気汚染の総合的な影響を挙げる。短期暴露では、肺機能の低下、急性の呼吸器症状（咳、喘鳴、痰、呼吸器感染症）、眼への刺激に伴う眼科症状、社会的影響として先に挙げた症状による欠席・欠勤の増加、社会活動の制限、呼吸器疾患・心血管疾患患者の増加、総死亡率の増加などがある。長期暴露では、子宮内発育制限（出生時低体重）、慢性心疾患、肺がん、慢性の呼吸器疾患（喘息、慢性閉塞性肺疾患(COPD)、呼吸器の病理学的変化）発病率の増加、呼吸器疾患・心血管疾患死亡率の増加などである。複数の研究により、気候や生活などが異なる地域・社会集団により差はあるものの、汚染物質の濃度の高さと死亡率の高さは比例にあることが分かっている。
IEA（2016年）によると、世界では屋外の大気汚染に起因する死者は年間300万人である。また同様に屋内の大気汚染に起因する死者は年間350万人である。大気汚染状況を放置すると2040年には大気汚染物質による死者はさらに150万人増加。一方、室内汚染が多発している国については、電気やガスなどへの切り替えにより死者数は一定程度は減るものの、40年時点での減少数は50万人にととどまり40年の大気、室内汚染による年間死者数は750万人になる、と推計した。
その一方で、アジアなど世界各国が化石燃料消費の実態を改善、省エネ政策を強化してクリーンエネルギーの導入を進めれば、大気汚染による死者数を大きく減らせることが可能、とした。具体的にはクリーンエネルギー分野への投資を40年までに7%増やせば、大気、室内汚染による死者を計330万人も減らせるという。例としてPM10の濃度を70μg/m³から30μg/m³に減らすことができれば、大気汚染に関連する死亡者数が15%減少するとして、WHOは各国に空気質の改善を求めている。また農村や郊外に比べて都市の方が大気汚染物質の濃度は高く、相対的なリスクも大きい。特に発展途上国で人口の急増する都市のリスクが高い。また経済協力開発機構(OECD)は環境アウトルック2050（2012年）において、2050年の世界全体での環境悪化による原因別の死亡者は、都市部での大気汚染が水の汚染（飲料水の汚染や不十分な下水処理）を抜いて最多となるだろうと予測している。

環境への影響

植物が高濃度汚染を受けると、二酸化硫黄や二酸化窒素では黄斑・褐変や大きな斑点、オゾンでは小さな斑点、葉の湾曲、壊死、落葉、多環芳香族炭化水素では横縞状の大きな斑点などが現れる事が知られている。また低濃度汚染を長時間受けた時には光合成、呼吸、蒸散などの生理機能が障害を受け、生育不良や農作物の収穫量減少が起こる。
大気汚染物質の濃度が高いと視程が低下し、著しい視程の悪化はスモッグ(smog)や煙霧(haze)として認識される。
物への影響として、硫黄酸化物は鉄・鋼・石材、オゾンは有機高分子、硫化水素は銀や銅、塩化水素は鉄や鋼との反応性が高く、腐食や劣化を加速させる効果がある。例えば、硫黄酸化物の濃度が高かった昭和30-40年代には、濃度が高い神奈川県川崎市の鋼の腐食速度は岐阜県高山市の10倍に達していた。

監視と予測

汚染物質を定量的に表すのは、大気中における濃度（重量比や体積比）、単位時間・単位面積当たりの沈着（堆積）量や落下（降下）量である。大気の汚染状況を監視するためには長期的に連続して観測することが必要であり、PM、SOₓ、NOₓ、OXなどの主要汚染物質の観測には自動で連続観測できる測定装置を設置することが多い。
粒子状物質は世界的にはPM10とPM2.5が指標として用いられる。PM10は粒子径10μmで50%の捕集効率を持つ分粒装置を通過する微粒子、同様にPM2.5は2.5μmである。初期にはろ紙を用いるBS法、次にハイボリュームエアサンプラーを用いる方法（例としてアメリカでは1980年代後半まで）が用いられたが精度が高くなく、現在はローボリュームエアサンプラーを用いる方法、フィルタで集めた粒子をベータ線照射や振動により測定する方法や、EPAのPM2.5サンプラーなどが用いられている。WHOの資料（2005年）によると世界の人口10万人以上の都市3,400のうちPM10の測定が行われているのは216都市にとどまり、そのほとんどが北アメリカやヨーロッパであるように、測定地点が少ないことが指摘されている。
ガス状物質の測定法は物質によりさまざまであるが、連続的に測定するものとしては溶媒へ吸収させて導電率や光の透過率を測定する方法、赤外線照射で得られるスペクトルから分析する赤外分光法、同様に紫外線・可視光線・近赤外線照射を用いる紫外・可視・近赤外分光法などが用いられ、連続測定が難しく採取分析を行うものではガスクロマトグラフィーなどが用いられる。
特に観測点が乏しい場合や、計器観測点の間隔よりも小さな規模の汚染を調べる場合などには、大気汚染の生物指標として、樹木の葉の様子や、樹木に着生する大気汚染に弱い地衣類の様子を観察・利用する場合がある。マツの葉の断面は、気孔周辺に煤が溜まりやすいことが知られている。

越境輸送のモニタリング

越境汚染問題においては、国境を越えて輸送される大気汚染物質の動向を明らかにするため、高濃度汚染時の風向による簡単な解析の他に、地域ごとの排出量と沈着量から他の地域からの流入を推定する方法、汚染物質中の同位体比をトレーサーとして発生源を推定する方法、長距離輸送モデルによる解析などが用いられる。
トレーサーとしては硫黄、鉛、ラドンなどの同位体が用いられる。産地により固有の値をとる石炭や石油の硫黄分の硫黄同位体比により硫黄酸化物の発生源を推定できる。また工業製品に含まれる鉛も産地により値が異なることから発生源を推定できる場合がある。半減期が約10.6時間の²¹²Pbと約3.8日の²²²Rnなど、片方がもう一方の崩壊生成物でかつ半減期の異なる同位体の比率を用いても発生源を推定できる。
長距離輸送モデルでは、ヨーロッパでは酸性雨の原因物質である硫黄酸化物を中心に研究が進んで"RAINS-Europe"というモデルが開発されているほか、温室効果ガスの解析用として"GAINS"というモデルが開発されている。アジアではRAINS-Europeを応用した"RAINS-Asia"などが開発されている。ただし、モデルにより大きな誤差が出て議論になる場合もある。

予報

また、急性の健康被害をもたらすような高濃度汚染を防止することを目的に、大気汚染予報も行われる。高濃度汚染の活性する可能性を「大気汚染気象ポテンシャル」または「大気汚染ポテンシャル」といい、行政が行う汚染物質排出動向の調査に基づく排出予測と、気象学の理論を用いた汚染物質の動きの予測を組み合わせて、数値などでその大きさを求める。汚染物質の動きは数値予報モデル（主に大気拡散モデル）で算出される予報資料などを用いる。
大気汚染予報で用いる主な数値には、混合層高度(Mixing Depth)、移送風速、滞留示数(Stagnation Index)などがある。混合層高度とは、地表から高度数百mまでの混合層の頂上の高度のことで、この上には水平風が強い層がある。混合層高度が高いほど大気汚染物質が上下に混合され上層で水平風により拡散されやすいことを示す。普通はその日の気温が最も高くなる頃に最も高くなり、これを最大混合層高度(Maximum Mixing Depth)という。これに対して混合層高度が最も低くなるのは日の出の頃で、高層気象データをプロットしたエマグラム上でも算出できる。移送風速は混合層内の水平方向の風速である。滞留示数は複数の気象要素から空気の滞留の度合いを示すもので、地上の降水量や湿度、850hPa（高度約1,500m）風速、500hPa（高度約5,500m）渦度などの要素を用いる。
このような予報が開始されたのは、ヨーロッパやアメリカでは第二次世界大戦後から1950年代、日本では1960年代、中国では1980年代である。

日本の状況

日本においては、明治初期（19世紀終盤）から産業による大気汚染が発生し始めた。早期に製鉄所ができた八幡や釜石では高炉からの煤塵による大気汚染が起きた。栃木・群馬の足尾銅山鉱毒事件では水質汚染とともに銅の精錬所から排出される二酸化硫黄が植物に被害を与えている。愛媛の別子銅山でも精錬所からの二酸化硫黄が農業被害を起こし紛争となっている。1883-1884年（明治16-17年）には大阪市で煤煙による広域汚染が問題となり、大阪府が煤煙を規制する通達を出して以降、市や府による対策やメディアによる報道も行われたが汚染は重くなった。依然大気汚染の問題は、深刻さを増している。この時期大阪市は別名「煙の都」とも呼ばれていた。1922年（大正11年）には大阪市立衛生試験所が大気の広域的な調査を開始するなど、調査研究もこの頃からいくつか行われ始めている。同様の汚染は隣の京都や兵庫、また東京や神奈川、福岡でも生じた。工場周囲での汚染、ばい煙による広域汚染に、自動車の排気なども加わり、大気汚染は拡大していった。
第二次世界大戦中には休止した工場もあったが、戦後は再操業・増産を行うなど産業の復興に伴い大気汚染が再び深刻化した。工業地帯では、煤煙や製鉄所からの酸化鉄ヒュームが空を覆い、「太陽が赤く染まる」ほどの汚染ともいわれ、洗濯物が汚れ、視程が悪化するなど生活に影響を与えた。こうした汚染に対して住民の苦情も増し、1949年（昭和24年）に東京都、1950年（昭和25年）に大阪府、1951年（昭和26年）に神奈川県で、それぞれ公害防止条例が制定されている。また国に対する規制を求める世論も高まり、1962年（昭和37年）には煤煙の排出の規制等に関する法律が制定され、京浜工業地帯、阪神工業地帯、北九州工業地帯などの指定地域のすすや粉塵等の規制が開始された。この法律は電力・ガス事業が対象外とされたほか、硫黄酸化物の問題をほとんど考慮していなかった。一方、1960年頃から三重県四日市で四日市ぜんそくの被害が深刻化し始める。
1967年（昭和42年）には公害対策基本法、翌1968年（昭和43年）には煤煙の排出の規制等に関する法律に代えて大気汚染防止法が制定された。大気汚染防止法は、硫黄酸化物の排出規制に関して煙突が低いほど上限が低くなる「K値規制」、初めての自動車排ガスへの規制を含むものであった。しかし、二酸化硫黄の濃度はしばしば高濃度となって「緊急時措置」が執られた。こうした汚染の深刻化に世論が高まり、1970年（昭和45年）の通称「公害国会」で大規模な法改正が行われた。この改正により、窒素酸化物、炭化水素、有害物質（鉛など）が規制対象に加えられ、電力・ガス事業も対象となり、工業地域などに限定されていた規制が国内全域に拡大されるなどしている。また被害の顕著な都市部で自治体が独自に上乗せ規制を行うところも出てきた。また1972年（昭和47年）には四日市公害訴訟で被害者側が勝訴し、1973年（昭和48年）の公害健康被害補償法の制定につながる。
1970年代を境に集塵装置や脱硫装置の開発・普及が進み、煤塵や硫黄酸化物の濃度は低下して20年で5分の1程度になった。2010年の時点で硫黄酸化物の濃度は99%以上の測定地点で環境基準を達成している。二酸化窒素の濃度は1970年代に減少してから横ばいが続いていたが、自動車排出ガス規制や都市部での総量規制などが始まって以降、2000年代から緩やかに減少している。
また、コンビナート地帯や大都市の幹線道路沿いなどの大気汚染が完全に解消されたわけではなく、四大公害の訴訟が終わった1970年代後半以降、千葉（1975-1992年）、大阪・西淀川（1978-1998年）、川崎（1982-1999年）、倉敷・水島（1983-1996年）、尼崎（1988-2000年）、名古屋南部（1989-2001年）、東京（1996-2007年）など各地で「大気汚染訴訟」が提起されている。この中には、公害健康被害補償法下で指定されていた汚染地域が1988年にすべて解除され、補償対象となる患者認定が新規に行われなくなったことが関係している訴訟もある。その後、基金などを設立する動きも出ている。有害大気汚染物質は2000年施行のPRTR法やダイオキシン対策特措法で排出管理が厳格化された。
排出ガス規制の遅れていたディーゼル自動車に対しては、自動車NOx・PM法が段階的に強化されたほか、都市部でのディーゼル車規制条例、一定年数を過ぎた使用過程車への自動車税の割増措置（スクラップインセンティブ）が行われている。また、企業によっては自動車の使用抑制として環境負荷の軽い自転車の活用促進なども行われている。
一方、1970年7月18日に東京杉並区などで発生した被害が大きく取り上げられて以降、主に自動車排ガス中の炭化水素と二酸化窒素に由来する光化学スモッグが深刻化した。国内の光化学スモッグ注意報などの発表延べ日数は、1973年（昭和48年）に300日を超えてピークに達した後、1984年（昭和59年）に100日以下に減少したがその後100-200日前後を推移、2000年と2007年には200日を超えている。光化学オキシダントの濃度も、2006年から2010年の5年間で環境基準を達成している地点は0.2-0%とほとんどなく、平成24年の環境白書でも「依然として低い水準」とされている。また2000年前後から、対馬などの離島や西日本、日本海側などで大陸（主に中国）から越境輸送された汚染物質が影響したと推定される光化学オキシダントの高濃度事例が発生している。
これに関連して、原因物質である窒素酸化物や非メタン炭化水素(NMHO)の濃度が緩やかに減少しているにも関わらず、光化学オキシダントの濃度は年間約1%の割合で緩やかに上昇しているという結果が出ている。この原因として、アジアからの越境輸送が広域的に広がり濃度を押し上げているとの指摘がある。
日本に沈着する汚染物質の発生源を解析した複数の結果（1990年頃）によると、硫黄酸化物の4-5割が国内、1-3割が中国、1割前後が朝鮮半島で、火山によるものも1-4割程度と無視できない。なお、冬季には北西季節風により中国から排出の寄与度が全体の半分以上に増加するという解析結果がある。また窒素酸化物の発生源（1990年頃）は65-75%が国内、13-18%が中国、10-15%が朝鮮半島とされる。
また、2010年には雨の国内平均水素イオン濃度(pH)は4.78で酸性雨だが、植物被害などは発生していない。ただし、酸性雨の発現には時間差があることから、アジアでの汚染物質排出量が増大しているのに伴って、将来酸性雨による被害が発生する恐れがあるとされている。