炭素隔離

人間活動によって排出される大気中の過剰な二酸化炭素の地質学的および生物学的炭素隔離[ 1 ]

炭素隔離は、炭素を炭素プールに貯蔵する自然のプロセスです。[ 2 ] : 2248 大気中の二酸化炭素量を削減することで、地球規模の炭素循環を効果的に管理し、気候変動を抑制する上で重要な役割を果たします。炭素隔離には、生物学的（生物隔離とも呼ばれる）と地質学的の2つの主要なタイプがあります。 [ 3 ]

生物学的炭素隔離は、炭素循環の一部として自然に発生するプロセスです。人間は意図的な行動と技術の利用によって、このプロセスを強化することができます。二酸化炭素（CO2）は、生物学的、化学的、物理的なプロセスを通じて大気から自然に捕捉されます。これらのプロセスは、例えば土地利用や農業慣行の変化、いわゆるカーボンファーミングによって加速することができます。同様の効果を生み出す人工的なプロセスも考案されています。このアプローチは、炭素回収・貯留（CO2回収・貯留）と呼ばれています。これは、技術を用いてCO2を回収・貯留（貯留）するものです。2地下や海底での人間の活動によって生成されるもの。

植物は成長過程で大気中の二酸化炭素を吸収し、バイオマスに結合します。しかし、森林や昆布などの生物的貯蔵庫は、長期的な二酸化炭素固定が保証されていないため、一時的な炭素吸収源となる可能性があります。山火事、疾病、経済的圧力、そして政治的優先事項の変化によって、固定された炭素が大気中に放出される可能性があります。[ 4 ]

大気から除去された二酸化炭素は、地中に注入するか、不溶性の炭酸塩の形で地殻に貯留することもできます。後者のプロセスは鉱物隔離と呼ばれます。これらの方法は、大気から二酸化炭素を除去するだけでなく、それを無期限に隔離するため、非揮発性であると考えられています。つまり、炭素は数千年から数百万年にわたって「閉じ込められる」ということです。

海洋における炭素隔離プロセスを強化するために、海洋肥沃化、人工湧昇、玄武岩貯留、鉱化作用、深海堆積物、酸を中和するための塩基添加といった化学的または物理的技術が提案されている。 [ 5 ]しかし、いずれもこれまで大規模応用には至っていない。一方、大規模な海藻養殖は生物学的プロセスであり、相当量の炭素を隔離することができる。 [ 6 ]炭素養殖のための海藻の潜在的な成長は、収穫された海藻を深海に輸送し、長期にわたって埋没させることにつながる可能性がある。[ 7 ] IPCCの気候変動下における海洋と氷圏に関する特別報告書は、緩和策としての海藻養殖について「更なる研究の注目」を推奨している。[ 8 ]

用語

炭素隔離という用語は、文献やメディアにおいて多様な意味を持っています。IPCC第6次評価報告書では、炭素隔離を「炭素プールに炭素を貯蔵するプロセス」と定義しています。[ 9 ] : 2248 その後、プールは「地球システムにおける炭素や窒素などの元素が様々な化学形態で一定期間存在する貯蔵庫」と定義されています。[ 9 ] : 2244

米国地質調査所（USGS）は、炭素隔離を次のように定義しています。「炭素隔離とは、大気中の二酸化炭素を捕捉し、貯蔵するプロセスである。」[ 3 ]この定義の文言は、炭素回収・貯蔵（CCS）の定義と非常に似ているため、炭素隔離はCCSと混同されることがあります（IPCCはCCSを「産業源からの比較的純粋な二酸化炭素（CO2 ）の流れを分離、処理し、長期貯蔵場所に輸送するプロセス」[ 9 ]と定義しています ）。

役割

自然の中で

炭素隔離は、地球の生物圏、土壌圏、地圏、水圏、大気圏の間で炭素が交換される自然の炭素循環の一部です。[ 10 ]二酸化炭素は、生物学的、化学的、または物理的なプロセスを通じて大気から自然に捕捉され、長期貯蔵庫に貯蔵されます。

植物は成長過程で大気中の二酸化炭素を吸収し、バイオマスに結合します。しかし、森林や昆布などの生物的貯蔵庫は、長期的な二酸化炭素固定が保証されないため、不安定な炭素吸収源と考えられています。山火事や疾病、経済的圧力、政治的優先順位の変化などの事象により、固定された炭素が大気中に放出される可能性があります。[ 4 ]

気候変動の緩和と政策において

炭素隔離は炭素吸収源として機能し、気候変動を緩和し、ひいては気候変動による有害な影響を軽減するのに役立ちます。これは、主に化石燃料の燃焼によって排出される二酸化炭素である温室効果ガスの大気および海洋への蓄積を遅らせるのに役立ちます。[ 11 ]

気候変動緩和のための炭素隔離には、自然の炭素吸収源を強化するか、炭素を捕捉して貯蔵する技術的方法を採用することが含まれます。

炭素回収・貯留（CCS）アプローチにおいて、炭素隔離は貯留要素を指します。人工的な炭素貯留技術としては、深部地層（塩水層や廃ガス田を含む）へのガス貯留や、 CO2と金属酸化物を反応させて安定な炭酸塩を生成する固体貯留などが挙げられます。[ 12 ]

炭素を人工的に隔離するためには、つまり炭素循環の自然過程の外で隔離するためには、まず炭素を捕捉するか、大気中への放出を大幅に遅らせるか防止する必要があります。これは、建設などの長期用途に炭素を豊富に含む材料を組み込むことで、燃焼や腐敗などの過程による放出を回避することで実現できます。その後、炭素は受動的に貯蔵されるか、さまざまな方法で長期間にわたって生産的に利用され続けることができます。たとえば、伐採された木材（炭素を豊富に含む材料）は、建設やその他のさまざまな耐久製品に組み込むことで、数年、あるいは数世紀にわたって炭素を隔離することができます。[ 13 ]工業生産において、技術者は通常、発電所や工場からの排出物から二酸化炭素を回収します。

例えば、アメリカ合衆国では、 2021年に可決され、2025年1月に失効した大統領令13990号（正式名称は「公衆衛生と環境の保護、および気候危機への取り組みのための科学の回復」）において、湿地や森林といった炭素吸収源生態系の保全と回復を通じた炭素隔離について複数回言及されている。この文書は、炭素隔離における農家、土地所有者、沿岸地域社会の重要性を強調した。また、財務省に対し、市場メカニズムを通じて炭素吸収源の保全を促進するよう指示した。[ 14 ]

地球の炭素隔離能力は無限ではないことに着目し、2025年の研究では、地球の地質学的貯蔵能力を最大限に活用することで、地球温暖化をわずか0.7℃（1.3℉）しか抑制できないと結論付けています。[ 15 ]

陸上における生物学的炭素隔離

生物学的炭素隔離（バイオセクエスチョンとも呼ばれる）は、継続的かつ強化された生物学的プロセスによって大気中の温室効果ガスである二酸化炭素を捕捉し、貯蔵するものである。この形態の炭素隔離は、植林や持続可能な森林管理などの土地利用慣行による光合成速度の増加によって起こる。[ 16 ] [ 17 ]自然な炭素捕捉を強化する土地利用の変化は、毎年大量の二酸化炭素を捕捉し貯蔵する可能性を秘めている。これには、農業における炭素隔離方法に加えて、森林、泥炭地、湿地、草原などの生態系の保全、管理、修復が含まれる。 [ 18 ]農業と林業の両方で土壌の炭素隔離を強化するための方法と慣行が存在する。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

林業

森林炭素プールの炭素貯蔵量の割合、2020年[ 22 ]
2025 年の炭素プール別の森林炭素貯蔵量合計。

森林は、樹木や植物が光合成によって二酸化炭素を吸収するため、地球規模の炭素循環において重要な役割を果たしている。そのため、気候変動の緩和に重要な役割を果たしている。[ 23 ] : 37 大気中の温室効果ガスであるCO2を除去することで、森林は陸上の炭素吸収源として機能し、根、茎、枝、葉を含むバイオマスの形で大量の炭素を貯蔵する。そうすることで、森林は毎年人間が排出する炭素の約25％を吸収しており、地球の気候に重要な役割を果たしている。[ 24 ]樹木は、その寿命を通じて炭素を吸収し続け、大気中のCO2を長期にわたって吸収する。 [ 25 ]そのため、持続可能な森林管理、植林、再植林は、気候変動の緩和に大きく貢献している。

こうした取り組みにおいて重要な考慮事項は、森林が炭素の吸収源から排出源に変わる可能性があることである。[ 26 ] [ 27 ] 2019年の森林の炭素吸収量は、気温上昇、干ばつ[ 28 ]、森林伐採により、1990年代に比べて3分の1減少した。国規模の森林インベントリデータによると、1999年から2020年にかけて、一部の森林がすでに気候閾値に近づいており、炭素の吸収源から排出源へと変化していることも示されている。[ 24 ]典型的な熱帯林は、2060年代までに炭素の排出源になる可能性がある。[ 29 ]

研究者たちは、環境サービスの観点から、森林伐採後に再植林することを許容するよりも、森林伐採を避ける方が良いことを発見しました。後者は、生物多様性の損失と土壌劣化という不可逆的な影響をもたらすからです。[ 30 ]さらに、レガシー炭素が土壌から放出される可能性は、若い北方林の方が高いです。[ 31 ]特に、北方林は、木材の健全性に必要な化合物を分解する根の病原体であるナラタケ（蜂蜜菌）の成長を支えることが注目されており、炭素放出の可能性を高めています。[ 32 ]熱帯雨林の被害によって引き起こされる世界の温室効果ガス排出量は、2019年頃まで大幅に過小評価されていた可能性があります。[ 33 ]さらに、植林と再植林の効果は、既存の森林をそのまま維持するよりもずっと将来に及ぶでしょう。[ 34 ]熱帯林の成熟した木々による炭素隔離の恩恵、ひいては森林伐採の抑制による恩恵と同様の地球温暖化対策の恩恵が現れるには、はるかに長い期間、数十年かかります。[ 35 ]そのため、科学者たちは「炭素が豊富で長寿命の生態系、特に自然林の保護と回復」が「主要な気候変動対策」であると考えています。[ 36 ]

限界作物や牧草地に木を植えることは、大気中のCO2から炭素を取り込むのに役立ちます。2バイオマスに変換されます。[ 37 ] [ 38 ]この炭素隔離プロセスが成功するには、木が死んだときにバイオマスが燃焼したり腐敗したりして炭素が大気中に戻らないようにする必要があります。[ 39 ] Ficus wakefieldiiなどのイチジク属のいくつかの種は、シュウ酸を異化して炭酸カルシウムを生成するシュウ酸栄養細菌と真菌の存在下で、大気中のCO2をシュウ酸カルシウムとして隔離することが観察されています。 [ 40 ]炭酸カルシウムは木全体に沈殿し、周囲の土壌をアルカリ化します。これらの種は現在、アグロフォレストリーにおける炭素隔離の候補です。このシュウ酸カルシウム固定プロセスは、イロコの木で初めて観察されました。イロコの木は、その生涯を通じて土壌に最大1トンの炭酸カルシウムを隔離することができます。また、サワロなどのサボテンは、鉱物の炭酸カルシウムを形成することで、生物循環から地質循環へと炭素を移動させます。[ 41 ]

地球には、さらに 9 億ヘクタールの樹冠被覆を植えるのに十分な余地があるが、この推定値は批判されており[ 42 ] [ 43 ]、アルベドなどの生物物理学的フィードバックを考慮すると、気候に正味の冷却効果をもたらす実際の面積は 20～80% 低くなります。[ 44 ] [ 45 ]これらの木を植えて保護することで、木が将来の気候ストレスに耐えて成熟した場合、2050 億トンの炭素を隔離できます。[ 46 ] [ 45 ]この数字を理解するために、これは現在の世界の炭素排出量（2019 年時点）の約 20 年分に相当します。[ 47 ]この隔離レベルは、2019 年の大気中の炭素プールの約 25% に相当します。[ 45 ]

森林の平均寿命は世界中で異なり、樹種、立地条件、自然撹乱のパターンに影響されます。炭素が何世紀にもわたって貯蔵される森林もあれば、頻繁な林分更新火災によって炭素が放出される森林もあります。林分更新イベントの前に伐採された森林は、木材などの人工林製品に炭素を保持することを可能にします。[ 48 ]しかし、伐採された森林から除去された炭素のうち、耐久財や建物として使用されるのはほんの一部です。残りは、パルプ、紙、パレットなどの製材所の副産物として使用されます。[ 49 ]低層建築物に主にマス ティンバーを採用することにより、世界中のすべての新築建築の 90% に木材製品が利用された場合、年間 7 億正味トンの炭素を隔離できます。[ 50 ] [ 51 ]これは、製造に炭素集約型である鉄鋼やコンクリートなどの代替建設資材からの炭素排出の排除に加えて行われます。

メタ分析によると、混合種の植林は、植林地の多様化による他の利点とともに炭素貯蔵量を増加させることが判明した。[ 52 ]

竹林は成熟した樹木林に比べて総炭素貯蔵量が少ないものの、竹林は成熟した樹木林や樹木林よりもはるかに速い速度で炭素を固定します。したがって、竹材の栽培は大きな炭素固定の可能性を秘めている可能性があります。[ 53 ]

国連食糧農業機関（FAO）は、「森林の総炭素貯蔵量は1990年の668ギガトンから2020年には662ギガトンに減少した」と報告している。[ 22 ] : 11 カナダの北方林では、総炭素量の80%が死んだ有機物として土壌に貯蔵されている。[ 54 ]

IPCC第6次評価報告書では、「二次林の再生と劣化森林および非森林生態系の回復は、撹乱に対する高い回復力と生物多様性の向上などの追加的な利益を伴う炭素隔離に大きな役割を果たす可能性がある（高い信頼性）」と述べている。[ 55 ] [ 56 ]

気温への影響は森林の立地によって左右されます。例えば、北方または亜寒帯地域での森林再生は気候への影響が小さくなります。これは、アルベドが高く雪に覆われた地域を、アルベドの低い森林の樹冠に置き換えるためです。一方、熱帯地域での森林再生プロジェクトは、雲の形成といったプラスの変化をもたらします。これらの雲は太陽光を反射し、気温を低下させます。[ 57 ] : 1457

雨季のある熱帯気候に植林することには、もう一つの利点があります。そのような環境では、樹木は一年中生育できるため、より速く成長し（より多くの炭素を固定します）、より多くの炭素を固定します。熱帯気候の樹木は、平均して非熱帯気候の樹木よりも大きく、明るく、豊富な葉を持っています。アフリカ全土に広がる7万本の樹木の幹回りに関する研究では、熱帯林がこれまで考えられていたよりも多くの二酸化炭素汚染を固定していることが示されました。この研究は、化石燃料による排出量のほぼ5分の1が、アフリカ、アマゾン、アジアの森林に吸収されていることを示唆しています。サイモン・ルイスは、「熱帯林の樹木は、化石燃料の燃焼によって毎年大気中に放出される二酸化炭素の約18%を吸収しており、変化の速度を大幅に緩和している」と述べています。[ 58 ]

湿地

健全な湿地生態系
ブルーカーボン（沿岸域の根生植物）の世界的分布：干潟、マングローブ、海草。[ 59 ]

湿地の再生とは、湿地の自然な生物学的、地質学的、化学的機能を、再確立または修復によって回復させることである。[ 60 ]これは気候変動を軽減する良い方法である。[ 61 ]湿地土壌、特にマングローブ、海草、塩性湿地などの沿岸湿地は[ 61 ]重要な炭素貯蔵庫であり、世界の土壌炭素の20～30％が湿地に存在しているのに対し、世界の陸地で湿地が占める割合はわずか5～8％である。[ 62 ]研究によると、再生された湿地は生産的なCO2吸収源となる可能性があり[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]、多くの湿地が再生されている。[ 66 ] [ 67 ]気候への恩恵以外にも、湿地の再生と保全は生物多様性の保全、水質の改善、洪水制御にも役立つ。[ 68 ]

湿地を構成する植物は、大気中の二酸化炭素（CO2）を吸収し、それを有機物に変換します。土壌の湿潤状態は有機物の分解を遅らせ、炭素を豊富に含む堆積物を蓄積させます。これは長期的な炭素吸収源として機能します。[ 69 ] [ 70 ]さらに、湿潤土壌の嫌気性状態は有機物の完全な分解を妨げ、炭素をより安定した形態に変換することを促進します。[ 70 ]

森林と同様に、炭素固定プロセスが成功するためには、湿地は乱されない状態を維持する必要があります。もし乱されると、植物や堆積物に蓄えられた炭素が大気中に放出され、生態系はもはや炭素吸収源として機能しなくなります。[ 71 ]さらに、一部の湿地はメタン[ 72 ]や亜酸化窒素[ 73 ]など、二酸化炭素以外の温室効果ガスを排出する可能性があり、これらは潜在的な気候への恩恵を相殺する可能性があります。湿地がブルーカーボンを介して固定する炭素量を測定することも困難です。[ 68 ]

湿地土壌は重要な炭素吸収源です。世界の土壌炭素の14.5％は湿地に存在しますが、世界の陸地のわずか5.5％が湿地で構成されています。[ 74 ]湿地は優れた炭素吸収源であるだけでなく、洪水を集め、空気と水の汚染物質をろ過し、多くの鳥、魚、昆虫、植物の生息地を作るなど、他の多くの利点があります。[ 75 ]

気候変動は湿地土壌の炭素貯蔵を変化させ、吸収源から排出源へと変化させる可能性があります。[ 76 ]気温上昇に伴い、特に永久凍土のある地域では湿地からの温室効果ガス排出量が増加します。この永久凍土が溶けると、土壌中の利用可能な酸素と水が増加します。[ 76 ]このため、土壌中の細菌が大量の二酸化炭素とメタンを生成し、大気中に放出されることになります。[ 76 ]

気候変動と湿地の関連性は未だ完全には解明されていない。[ 76 ]また、復元された湿地がメタンガスの発生源であり続けながら、どのように炭素を管理しているのかも明らかではない。しかしながら、これらの地域を保護することは、大気中への炭素のさらなる放出を防ぐのに役立つだろう。[ 77 ]

泥炭地、湿原、泥炭湿原

泥炭地は地球の陸地面積のわずか3%を占めるに過ぎないが、生態系の炭素の約30%を保有しており、これは世界の森林に蓄えられている量の2倍に相当します。[ 77 ] [ 78 ]泥炭地のほとんどは北半球の高緯度地域に位置しており、その成長のほとんどは最終氷河期以降に起こりました。[ 79 ]しかし、アマゾンやコンゴ盆地などの熱帯地域でも見られます。[ 80 ]

泥炭地は数千年かけて着実に成長し、水浸しの状態によって腐敗速度が大幅に遅くなるため、枯れた植物質とそれに含まれる炭素が蓄積されます。[ 79 ]農地や開発のために泥炭地が排水されると、そこに蓄えられた植物質は急速に分解し、貯蔵されていた炭素が放出されます。これらの劣化した泥炭地は、人間の活動による世界の炭素排出量の5～10%を占めています。[ 79 ] [ 81 ]泥炭地1つが失われると、175～500年間のメタン排出量を上回る炭素が排出される可能性があります。[ 76 ]

したがって、泥炭地の保護と再生は、炭素排出を軽減するための重要な対策であり、生物多様性、[ 81 ]淡水供給、洪水リスク軽減にも利益をもたらします。[ 82 ]

農業

バイオ燃料生産、土壌保全、土壌中の炭素隔離に有用なパニカム・バーガタム・スイッチグラス

自然植生と比較して、農耕地の土壌は土壌有機炭素（SOC）が枯渇しています。森林、林地、草原、ステップ、サバンナなどの自然地または半自然地から土壌が転換されると、土壌中のSOC含有量は約30～40%減少します。[ 83 ]この減少は、植物が炭素を含んでいるため、収穫によるものです。土地利用が変化すると、土壌中の炭素は増加または減少し、この変化は土壌が新たな平衡状態に達するまで続きます。この平衡状態からの逸脱は、気候変動の影響を受けることもあります。[ 84 ]

土壌有機炭素含有量の減少は、炭素投入量を増やすことで抑制できます。これにはいくつかの戦略があり、例えば、収穫残渣を圃場に残す、堆肥を肥料として使用する、多年生作物を輪作に組み込むなどです。多年生作物は地下部バイオマスの割合が大きいため、土壌有機炭素含有量が増加します。[ 83 ]

多年生作物は耕作の必要性を減らし、土壌浸食を緩和するのに役立つだけでなく、土壌有機物の増加にも役立つ可能性があります。世界的に、土壌には8,580ギガトン以上の有機炭素が含まれていると推定されており、これは大気中の量の約10倍であり、植生よりもはるかに多い量です。[ 85 ]

研究者たちは、気温上昇が土壌微生物の増殖を促し、貯蔵されている炭素を二酸化炭素に変換する可能性があることを発見しました。土壌を加熱した実験では、菌類が豊富な土壌は他の土壌よりも二酸化炭素の放出量が少ないことが示されました。[ 86 ]

植物は大気中の二酸化炭素（CO2）を吸収した後、土壌に有機物を堆積します。[ 25 ]この有機物は、植物の腐敗した部分や根系から生成され、炭素化合物を豊富に含んでいます。土壌中の微生物がこの有機物を分解し、その過程で炭素の一部は土壌中で腐植としてさらに安定化します。このプロセスは腐植化と呼ばれます。[ 87 ]

世界的に見ると、土壌には約2,500ギガトンの炭素が含まれていると推定されています。これは大気中に含まれる炭素の3倍以上、生きている植物や動物に含まれる炭素の4倍に相当します。[ 88 ]永久凍土以外の地域における地球全体の土壌有機炭素の約70%は、表層1メートル以内の深層土壌に存在し、鉱物と有機物の結合によって安定化されています。[ 89 ]

カーボンファーミング

カーボンファーミングは、土壌とバイオマスに炭素を貯蔵することを目的とした一連の農法です。これは専門用語で炭素隔離と呼ばれます。カーボンファーミングの全体的な目標は、大気からの炭素の純損失を作り出すことです。[ 90 ]これは、炭素が土壌と植物材料に隔離される速度を高めることによって行われます。根と土壌の微生物叢からのバイオマスの増加は、土壌の有機物含有量の増加につながります。土壌の有機物含有量の増加は、植物の成長を助け、土壌の保水能力を改善し、 [ 91 ]肥料の使用を減らします。 [ 92 ]持続可能な森林管理は、カーボンファーミングで使用されるもう1つのツールです。[ 93 ]カーボンファーミングは、気候対応型農業の1つの要素です。また、大気から二酸化炭素を除去する1つの方法でもあります。

炭素農業の農法には、耕作方法や家畜の放牧方法の調整、有機マルチや堆肥の使用、バイオ炭やテラプレタの利用、作物の種類の変更などが含まれます。林業では、植林や竹の栽培などが用いられます。2016年時点で、世界の農地面積約50億ヘクタール（1.2 × 10エーカー）のうち、炭素農業の様々な形態は世界全体で数億ヘクタールに及んでいます。[ 94 ]

カーボンファーミングは、従来の農業慣行よりも費用がかかる傾向があります。地域によって異なりますが、カーボンファーミングでは、二酸化炭素1トンあたり3～130米ドルの費用がかかります。[ 95 ]一部の国では、カーボンファーミング手法を採用する農家に補助金を支給しています。[ 96 ]カーボンファーミング手法の導入は排出量の削減・固定につながりますが、森林を農業生産に転換することによる土地利用の変化の影響も考慮することが重要です。 [ 97 ]

プレーリー

草原の修復とは、工業、農業、商業、住宅開発によって破壊された草原を修復する保全活動です。 [ 98 ]主な目的は、地域と生態系を枯渇前の状態に戻すことです。[ 99 ]これらの修復された区画に貯蔵できるSOCの量は、通常、以前の作物よりも多く、より効果的な炭素吸収源として機能します。[ 100 ] [ 101 ]

バイオチャー

バイオチャーは、バイオマス廃棄物の熱分解によって生成される木炭です。生成された物質は、埋立地に投入されるか、テラ・プレタ（土を耕す土壌改良剤）として使用されます。[ 102 ] [ 103 ]バイオチャーを添加することで、土壌中の炭素蓄積量が長期的に増加し、大気中の炭素（年間最大9.5ギガトン）を相殺することで地球温暖化を緩和する可能性があります。[ 104 ]土壌中では、バイオチャーの炭素はCO2への酸化に利用できません。2そして結果として大気中に放出されます。しかしながら、バイオ炭は土壌中に既に存在する炭素の放出を加速させる可能性があるという懸念も提起されています。[ 105 ]

人為的に形成された高炭素土壌であるテラ・プレタも、炭素隔離メカニズムとして研究されています。バイオマスを熱分解することで、その炭素の約半分を木炭に還元することができます。木炭は土壌中に何世紀にもわたって残留し、特に熱帯土壌において有用な土壌改良剤（バイオチャーまたはアグリチャー）となります。[ 106 ] [ 107 ]

バイオマスの埋設

バイオ炭は埋め立てたり、土壌改良剤として使用したり、あるいは炭素回収・貯留法を使用して焼却したりすることができます。

バイオマス（樹木など）を埋めることは、化石燃料を生み出す自然のプロセスを直接模倣するものである。[ 108 ]木材埋設による世界の炭素隔離の潜在的可能性は10 ± 5 GtC/年と推定されており、熱帯林（4.2 GtC/年）で最も割合が高く、次いで温帯林（3.7 GtC/年）、北方林（2.1 GtC/年）となっている。[ 13 ] 2008年、メリーランド大学のNing Zengは、世界の森林の林床には65 GtCの粗木質材料が埋設可能で、木材埋設による炭素隔離のコストは1tCあたり50米ドルと推定しており、これは発電所の排出物などからの炭素回収よりもはるかに低い。[ 13 ]木質バイオマスへのCO2固定は光合成によって行われる自然のプロセスである。これは自然に基づいた解決策であり、試験されている方法には、酸素のない状態で木材含有炭素を保管するための「木製貯蔵庫」の使用が含まれます。[ 109 ]

2022年には、認証機関がバイオマス埋設の方法論を発表しました。[ 110 ]他のバイオマス貯蔵の提案には、黒海の底を含む深海へのバイオマスの埋設が含まれています。[ 111 ]

地質学的炭素隔離

適切な地層における地下貯蔵

草原を背景にした井戸元の写真
サスカチュワン州エステバン近郊の坑口。深さ3.4kmの塩水帯水層にCO2を注入している[ 112 ]

地中隔離とは、枯渇した石油やガスの貯留層、塩水層、あるいは採掘に適さない深い石炭層に二酸化炭素を貯留することを指します。 [ 113 ]

CO2はセメント工場などの点源から回収されると、 [ 114 ] 100バール程度まで圧縮して超臨界流体とすることができます。この状態で、CO2はパイプラインで貯留場所まで輸送することができます。その後、CO2は地下深部、通常約1km（0.6マイル）に注入され、数百年から数百万年にわたって安定して保存されます。[ 115 ]このような貯留条件下では、超臨界CO2の密度は600～800kg/m3です。[ 116 ]

炭素貯留に適した場所を決める上で重要なパラメータは、岩石の多孔度、岩石の浸透性、断層の有無、岩石層の形状です。CO2 を貯留する媒体は、砂岩や石灰岩など、多孔度と浸透性が高いものが理想的です。砂岩の浸透性は 1 ～ 10 −5ダルシーで、多孔度は最大 ≈ 30% になります。多孔質の岩石は、CO2 のシールとして機能する低浸透性の層、つまりキャップロックで覆われている必要があります。頁岩は、浸透性が 10 −5～ 10 −9ダルシーの非常に優れたキャップロックの例です。注入されると、CO2プルームは周囲よりも密度が低いため、浮力によって上昇します。キャップロックに遭遇すると、隙間に遭遇するまで横方向に広がります。注入地点付近に断層面がある場合、CO2が断層に沿って地表まで移動し、大気中に漏出する可能性があり、周辺地域の生命にとって潜在的に危険となる可能性があります。炭素隔離に関連するもう一つのリスクは、誘発地震です。CO2の注入によって地下に過剰な圧力が生じた場合、地層が破壊され、地震を引き起こす可能性があります。[ 117 ]

構造的捕捉は主要な貯留メカニズムと考えられており、泥岩、無水石膏、岩塩、あるいは不浸透性炭酸塩などの不浸透性または低浸透性の岩石は、CO2の上方浮力移動に対する障壁として機能し、結果として貯留層内にCO2を貯留します。[ 118 ]岩石層に捕捉されている間、CO2は超臨界流体相を呈するか、地下水／塩水に溶解する可能性があります。また、地層中の鉱物と反応して炭酸塩になることもあります。

研究によると、2025年には理論上の炭素貯留容量約12,000 GtCO2のうち、リスクのないのはわずか1,460 GtCO2で、ほとんどの推定値よりも大幅に少ないことが示されています。[ 119 ] [ 120 ]

鉱物隔離

鉱物隔離は、炭素を固体炭酸塩の形で閉じ込めることを目的としている。このプロセスは自然界ではゆっくりと進行し、地質学的に長い時間をかけて石灰岩の堆積と蓄積の原因となっている。地下水中の炭酸は複雑なケイ酸塩とゆっくりと反応し、カルシウム、マグネシウム、アルカリ、シリカを溶解して粘土鉱物の残留物を残す。溶解したカルシウムとマグネシウムは重炭酸塩と反応して炭酸カルシウムと炭酸マグネシウムを沈殿させ、生物はこれを利用して殻を作る。生物が死ぬと、その殻は堆積物として堆積し、最終的に石灰岩に変わる。石灰岩は地質学的に数十億年かけて蓄積され、地球上の炭素の多くを含んでいる。進行中の研究では、アルカリ炭酸塩が関与する同様の反応を加速することを目指している。[ 121 ]

ゼオライトイミダゾレート構造体（ZIF）は、ゼオライトに類似した金属有機構造体です。その多孔性、化学的安定性、耐熱性から、ZIFは二酸化炭素を捕捉する能力について研究されています。[ 122 ]

ミネラル炭酸

CO2は金属酸化物と発熱反応を起こし、安定した炭酸塩（方解石、マグネサイトなど）を生成します。このプロセス（CO2から石への変化）は何年もかけて自然に起こり、地表の石灰岩の多くを形成しています。カンラン石はそのような金属酸化物の一つです。[ 123 ]玄武岩に含まれるMgOやCaOなど、CO2と反応する金属酸化物を多く含む岩石は、二酸化炭素鉱物貯留を実現する実行可能な手段であることが証明されています。[ 124 ] [ 125 ]反応速度は原理的には触媒[ 126 ]や圧力の上昇、鉱物の前処理によって加速できますが、この方法は追加のエネルギーを必要とする場合があります。

超塩基性鉱山の尾鉱は、この目的に使用できる微粒子金属酸化物の入手しやすい供給源です。[ 127 ]鉱物の炭酸化による受動的なCO2隔離の促進は、鉱物の溶解と炭酸塩の沈殿を促進する微生物プロセスによって達成できる可能性があります。[ 128 ] [ 129 ] [ 130 ]

炭素（CO）2化学プロセスによって大気中から除去され、安定した炭酸塩鉱物の形で貯蔵される。このプロセス（CO2炭酸化（鉱物の炭酸化）は、「鉱物炭酸化による炭素隔離」または鉱物隔離として知られています。このプロセスでは、二酸化炭素と豊富に存在する金属酸化物（酸化マグネシウム（MgO）または酸化カルシウム（CaO））が反応して、安定した炭酸塩を形成します。これらの反応は発熱反応であり、自然現象（例えば、地質時代における岩石の風化）として起こります。[ 131 ] [ 132 ]

CaO + CO2→炭酸カルシウム3
MgO + CO2→マグネシウムCO3

カルシウムとマグネシウムは、自然界では典型的にはカルシウムとマグネシウムのケイ酸塩（フォルステライトや蛇紋岩など）として存在し、二元酸化物としては存在しません。フォルステライトと蛇紋岩の場合、反応は以下のとおりです。

マグネシウム2SiO4+ 2 CO2→ 2 MgCO3+ SiO2
マグネシウム3シ2お5（おお）4+ 3 CO2→ 3 MgCO3+ 2 SiO2+ 2時間2お

これらの反応は低温でやや有利となる。[ 131 ]このプロセスは地質学的時間軸を通じて自然に起こり、地球表層の石灰岩の大部分はこれに由来する。しかし、高温および／または高圧下で反応させることで反応速度を速めることができるが、この方法は追加のエネルギーを必要とする。あるいは、鉱物を粉砕して表面積を増やし、水にさらして一定の摩擦を与えることで不活性シリカを除去する方法もある。これは、オリビンを高エネルギーの波打ち際で自然に実現できる。[ 133 ]

CO​2水に溶解し、地下の熱い玄武岩に注入すると、CO2玄武岩と反応して固体の炭酸塩鉱物を形成する。[ 134 ]アイスランドの試験プラントは2017年10月に稼働を開始し、年間最大50トンのCO2を大気から抽出し、玄武岩の地下に貯蔵している。 [ 135 ]

海洋における隔離

いくつかのスタートアップ企業がこれを大規模に行おうとしている。[ 136 ]

海洋カーボンポンプ

海洋食物網は、海洋微生物が海洋が炭素を輸入し、それを大気と海底に排出する上で中心的な役割を果たしていることを示しています。

海洋は多様なプロセスを通じて炭素を隔離している。[ 137 ]溶解度ポンプは二酸化炭素を大気から海洋表層へ移動させ、そこで水分子と反応して炭酸を生成する。二酸化炭素の溶解度は水温の低下とともに増加する。熱塩循環は溶存二酸化炭素をより溶解しやすい冷たい水へと移動させ、海洋内部の炭素濃度を増加させる。生物ポンプは光合成によって無機炭素を有機炭素に変換することにより、溶存二酸化炭素を海洋表層から海洋内部へ移動させる。呼吸と再ミネラル化を生き延びた有機物は、沈降粒子や生物の移動によって深海へ運ばれる。

深海の低温、高圧、酸素濃度の低下は分解プロセスを遅らせ、大気中への炭素の急速な放出を防ぎ、長期的な貯蔵庫として機能します。[ 138 ]

植生のある沿岸生態系

ブルーカーボンとは、気候変動緩和における概念であり、「管理可能な海洋システムにおける生物学的に駆動される炭素フラックスと貯蔵」を指します。[ 139 ] : 2220 最も一般的には、干潟、マングローブ、海草藻場が炭素隔離において果たす役割を指します。 [ 139 ] : 2220 これらの生態系は、気候変動緩和と生態系に基づく適応において重要な役割を果たすことができます。しかし、ブルーカーボン生態系が劣化したり失われたりすると、炭素が大気中に放出され、温室効果ガスの排出量が増加します。[ 139 ] : 2220

海藻養殖と藻類

ケルプの森
海草の草原

海藻は浅瀬や沿岸域で生育し、海洋の仕組みによって深海まで運搬される大量の炭素を吸収する。深海に到達した海藻は炭素を隔離し、数千年にわたって大気との交換を防ぐ。[ 140 ]沖合で海藻を育て、深海に沈めて炭素を隔離するというアイデアも提案されている。[ 141 ]さらに、海藻は生育が非常に速く、理論的には収穫・加工して嫌気性消化による発電、コジェネレーション/CHP 、天然ガスの代替としてバイオメタンを生成することができる。ある研究によると、海洋の9%を海藻養殖場で覆えば、地球の化石燃料エネルギー需要に見合うだけのバイオメタンを生産でき、大気中から年間53ギガトンのCO2を除去し、1人当たり年間200kgの魚を持続的に生産して100億人に供給できるという。[ 142 ]このような栽培や転換に理想的な種としては、コンブ（Laminaria digitalata）、ヒバマタ（Fucus serratus）、およびサッカリーナ・ラティッシマ（Saccharina latissima）が挙げられる。[ 143 ]

大型藻類と微細藻類の両方が炭素隔離の可能性のある手段として研究されている。[ 144 ] [ 145 ]海洋植物プランクトンは、世界の植物バイオマスの約1％に過ぎないにもかかわらず、世界の光合成によるCO2固定（世界の純一次生産量は年間約50 Pg C）の半分と酸素生産の半分を担っている。[ 146 ]

藻類には陸上植物に見られる複雑なリグニンがないため、藻類に含まれる炭素は陸上で吸収された炭素よりも速く大気中に放出されます。[ 144 ] [ 147 ]藻類は、様々なバイオ燃料の生産のための原料として使用できる炭素の短期貯蔵プールとして提案されています。[ 148 ]

海藻を扱う女性たち

大規模な海藻養殖は、相当量の炭素を隔離する可能性があります。[ 6 ]野生の海藻は、溶解した有機物の粒子が深海底に運ばれ、そこで長期間埋もれることで、大量の炭素を隔離します。[ 7 ]炭素農業に関しては、炭素農業用の海藻の潜在的な成長は、収穫された海藻が深海に運ばれ、長期間埋もれることを意味します。[ 7 ]海藻養殖は主にアジア太平洋沿岸地域で行われており、急速に市場が拡大しています。[ 7 ] IPCCの気候変動における海洋と氷圏に関する特別報告書は、緩和策としての海藻養殖について「更なる研究の注目」を推奨しています。[ 8 ]

海洋肥沃化

南大西洋、アルゼンチン沖における海洋植物プランクトンの大発生。鉄肥料の施肥によってこのような大発生を促進すれば、海底に炭素を固定できる可能性がある。しかし、このアプローチは現在（2022年）、積極的に追求されなくなっている。

海洋肥沃化または海洋栄養補給とは、鉄分やその他の栄養素を海洋上層部に補充する自然および意図的なプロセスを指します。これにより、植物プランクトンの成長が刺激され、場合によっては光合成によって大量の二酸化炭素（CO2 ）が吸収されます。意図的な海洋肥沃化は、氷河期前[ 149 ] 、火山噴火後、クジラの排泄物[ 150 ]、および熱水噴出孔付近[ 151 ]で大気中のCO2を除去した自然プロセスのバイオミミクリです。海洋上層部への栄養素の導入は、海洋食糧の生産を増加させるとともに、大気中の二酸化炭素を除去します。[ 152 ] [ 149 ] [ 153 ] [ 154 ]

海洋栄養肥料、例えば鉄肥料（OIF）は、植物プランクトンの光合成を刺激します。植物プランクトンは海水中の溶存二酸化炭素を炭水化物に変換し、その一部は深海に沈むことが示されています。10件以上の外洋実験により、海水中に鉄を添加すると植物プランクトンの光合成が最大30倍に増加することが確認されています。[ 155 ]

海洋鉄肥沃化は、二酸化炭素除去（CDR）手法の中でも最も研究が進んでいる手法の一つであり、気候修復の支持者からも支持されています。しかしながら、この手法は、効果的な海洋炭素隔離の持続期間に関して不確実性を抱えています。米国科学工学医学アカデミー（NASEM）による2021年の海洋CDR（mCDR）に関する研究では、OIFはmCDR手法の中で最も高い可能性を秘めていると結論付けられています。[ 156 ]

人工湧昇

人工的な湧昇や沈降は、海洋の混合層を変化させるアプローチです。様々な海洋層の混合を促すことで、栄養分や溶存ガスを移動させることができます。[ 157 ]混合は、海中に大きな垂直パイプを設置し、栄養分に富んだ水を表面に汲み上げ、藻類の大量発生を引き起こすことで実現できます。藻類は成長時に炭素を貯蔵し、死滅時に炭素を排出します。[ 157 ] [ 158 ] [ 159 ]これは鉄肥料に似た結果をもたらします。副作用の一つとして、短期的なCO2、それがその魅力を制限している。[ 160 ]

混合層は、より密度が高くより冷たい深海水を表層混合層に運ぶことを含む。海水温は深さとともに低下するため、より多くの二酸化炭素やその他の化合物が深層層に溶解することができる。[ 161 ]これは、海洋ポンプとして機能する大きな垂直パイプの使用、[ 162 ]またはミキサーアレイの使用により、海洋の炭素循環を逆転させることによって誘発することができる。 [ 163 ]栄養豊富な深海水が表面に移動すると藻類のブルームが発生し、植物プランクトンやその他の光合成性真核生物による炭素摂取により二酸化炭素が減少する。層間の熱移動によっても混合層の海水が沈み込み、より多くの二酸化炭素を吸収する。藻類のブルームは太陽光を遮り、有害な毒素を海に放出することで海洋生態系に害を及ぼすため、この方法はあまり普及していない。 [ 164 ]表層における二酸化炭素の急激な増加は、海水のpHを一時的に低下させ、サンゴ礁の成長を阻害します。また、海水中の二酸化炭素の溶解による炭酸の生成は、海洋生物の石灰化を阻害し、海洋食物連鎖に大きな混乱を引き起こします。[ 165 ]

玄武岩の貯蔵

玄武岩への二酸化炭素隔離には、COの注入が含まれる。2深海の地層に。CO2まず海水と混ざり合い、次に玄武岩と反応します。どちらもアルカリ性元素に富んでいます。この反応によりCa 2+とMg 2+イオンが放出され、安定した炭酸塩鉱物が形成されます。[ 166 ]

海底玄武岩は、漏出に対するさらなる保護を確実にする数々の捕捉手段を備えているため、他の海洋炭素貯留形態の優れた代替手段となります。これらの手段には、「地球化学的、堆積的、重力的、そしてハイドレート形成的」な方法が含まれます。CO2ハイドレートはCOよりも密度が高い2海水中では、漏洩のリスクは最小限です。CO22,700メートル（8,900フィート）以上の深さでは、CO2海水よりも密度が大きいため沈んでしまう。[ 167 ]

注入地点として考えられる場所の一つは、ファン・デ・フカ・プレートです。ラモント・ドハティ地球観測所の研究者たちは、米国西海岸にあるこのプレートが208ギガトンの貯留能力を持つ可能性を発見しました。これは、現在の米国の二酸化炭素排出量（2009年時点）を100年以上吸収できる量です。[ 167 ]

このプロセスはCarbFixプロジェクトの一環としてテスト中であり、注入された250トンのCO2の95％が2年間で方解石に固化する見込みで、 CO21トンあたり25トンの水が使用される。[ 168 ] [ 169 ]

鉱化作用と深海堆積物

岩石内部で起こる鉱化作用と同様に、海中でも鉱化作用が起こる。大気から海洋への二酸化炭素の溶解速度は、海洋の循環周期と沈み込む表層水の緩衝能力によって決まる。[ 170 ]研究者らは、数キロメートルの深さでの二酸化炭素海洋貯留は最長500年間実行可能であるが、注入場所と条件に依存することを実証した。いくつかの研究は、二酸化炭素を効果的に固定する可能性があるが、二酸化炭素が時間の経過とともに大気中に放出される可能性があることを示している。しかし、これは少なくともあと数世紀は起こりそうにない。CaCO3の中和、つまり海底、陸地、海洋におけるCaCO3の濃度のバランスをとることは、数千年のタイムスケールで測定できる。より具体的には、予測される時間は海洋で1700年、陸地で約5000～6000年である。[ 171 ] [ 172 ]さらに、 CaCO3の溶解時間は、貯蔵場所の近くまたは下流に注入することによって改善することができる。[ 173 ]

炭素の鉱化に加えて、深海堆積物注入という提案もあります。これは、少なくとも水深 3,000 メートル (9,800 フィート) 下の液体二酸化炭素を海洋堆積物に直接注入し、二酸化炭素ハイドレートを生成します。探査対象領域は 2 つに分けられます。1) 負浮力帯 (NBZ)。これは、液体二酸化炭素の密度が周囲の水よりも高く、液体二酸化炭素が中性浮力である領域です。2) ハイドレート形成帯 (HFZ)。これは通常、低温高圧です。いくつかの研究モデルによると、最適な注入深度には、固有浸透率と、最適な貯蔵のための液体二酸化炭素浸透率の変化を考慮する必要があります。ハイドレートの形成により液体二酸化炭素の浸透率が低下するため、HFZ より下への注入は HFZ 内よりもエネルギー的に有利です。NBZ が HFZ より広い水柱である場合、注入は HFZ より下で、NBZ に直接行う必要があります。[ 174 ]この場合、液体二酸化炭素はNBZに沈み、浮力層とハイドレート層の下に貯蔵されます。二酸化炭素の漏出は、間隙水への溶解や分子拡散によって発生する可能性があります。しかし、これは数千年かけて発生します。[ 173 ] [ 175 ] [ 176 ]

酸を中和するために塩基を加える

二酸化炭素は水に溶けると炭酸を形成し、 CO2濃度の上昇は海洋酸性化の重大な結果となる。2酸性化はCO2海洋に吸収される（溶解度ポンプを介して）。海洋の酸性度を中和し、CO2吸収を促進する。[ 177 ] [ 178 ] [ 179 ] [ 180 ] [ 181 ]例えば、砕いた石灰岩を海水に添加すると、二酸化炭素の吸収が促進される。[ 182 ]別の方法として、塩水または塩水の電気分解によって生成される水酸化ナトリウムを添加する方法がある。結果として生じる塩酸の副産物は、エンスタタイトなどの火山性珪酸塩岩と反応させることで中和することができ、自然の風化プロセスを効果的に促進して海洋のpHを回復させるのに役立つ。[ 183 ] [ 184 ] [ 185 ]

単一ステップの炭素隔離と貯蔵

一段階炭素隔離貯留は、海水から二酸化炭素を抽出し、それを固体鉱物の形で貯留する塩水ベースの鉱化技術である。[ 186 ]

放棄されたアイデア

深海への二酸化炭素の直接注入

かつて、二酸化炭素を深海に直接注入し、数世紀にわたって海洋に貯留できるという提案がありました。当時、この提案は「海洋貯留」と呼ばれていましたが、より正確には「深海二酸化炭素直接注入」と呼ばれていました。しかし、海洋生物への未知の影響[ 187 ] : 279 、高コスト、そしてその安定性や永続性への懸念から、この炭素貯留方法への関心は2001年頃から大幅に低下しました。[ 115 ] 2005年の「二酸化炭素回収・貯留に関するIPCC特別報告書」では、この技術が選択肢として取り上げられていました。[ 187 ] : 279 しかし、 2014年のIPCC第5次評価報告書では、気候変動緩和策に関する報告書の中で「海洋貯留」という言葉は使われなくなりました。[ 188 ] 2022年IPCC第6次評価報告書では、「二酸化炭素除去分類」において「海洋貯留」について言及されていない。[ 189 ] : 12–37

費用

炭素隔離（回収と輸送は含まない）のコストは様々であるが、陸上貯留が利用可能な場合には1トンあたり10米ドルを下回る場合もある。[ 190 ]例えば、CarbfixのコストはCO21トンあたり約25米ドルである。[ 191 ] 2020年の報告書では、森林への隔離（回収を含む）は、少量の場合は1トンあたり35米ドル、1.5℃の温暖化を抑えるために必要な総量の10%の場合は1トンあたり280米ドルと推定されている。[ 192 ]しかし、森林火災によって炭素が放出されるリスクがある。[ 193 ]

参照

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ウィキクォートには、炭素隔離に関する引用があります。
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Scholia には炭素隔離のプロファイルがあります(Q15305550)。
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