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黒色炭素(BC )は、熱分解後に残った(木炭など)または不完全燃焼によって生成された(すすなど)光吸収性の難治性 炭素です。
ティホミール・ノヴァコフは1970年代に、ブラックカーボンをエアロゾル中の微粒子物質(PM ≤ 2.5 μm 空気力学的直径)として特定し、ブラックカーボンという用語を考案しました。エアロゾルブラックカーボンはいくつかの形態で存在します。化石燃料、バイオ燃料、バイオマスの不完全燃焼によって生成されるブラックカーボンは、人為的および自然発生的なすすの両方に含まれるすす粒子の主要な種類の1つです[ 1 ]。[ 2 ] [検証には引用が必要]。すすとして、ブラックカーボンは病気や早死を引き起こします[ 2 ] 。これらの人体への健康影響のため、多くの国が排出量の削減に取り組んできました[ 3 ]。
気候学では、エアロゾルブラックカーボンは地球温暖化に寄与する気候強制力物質である。ブラックカーボンは太陽光を吸収して大気を加熱し、雪や氷に堆積するとアルベドを低下させること(直接効果)と雲との相互作用による間接効果によって地球を温め、その総強制力は1.1 W/m 2である。[ 4 ]ブラックカーボンは数日から数週間しか大気中に留まらない。対照的に、強力な温室効果ガスはより長いライフサイクルを持つ。例えば、二酸化炭素(CO 2)の大気寿命は100年以上である。[ 5 ] IPCCやその他の気候研究者は、ブラックカーボンの削減が短期的な地球温暖化を遅らせる最も簡単な方法の一つであると主張している。[ 6 ] [ 7 ]
ブラックカーボンという用語は土壌科学や地質学でも使用され、大気中に沈着したブラックカーボンや植生火災から直接取り込まれたブラックカーボンを指します。[ 8 ] [ 9 ]特に熱帯地方では、土壌中のブラックカーボンは重要な植物栄養素を吸収するため、土壌の肥沃度に大きく貢献します。[ 10 ]
気候学では、バイオ炭による炭素除去は大気中の炭素を黒色炭素として隔離し、地球温暖化を遅らせます。
概要
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| Carbon cycle |
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マイケル・ファラデーは、すすが炭素で構成されており、炭素含有燃料の不完全燃焼によって生成されることを認識していました。[ 11 ]ブラックカーボンという用語は、1970年代にジェームズ・ハンセンによって「ブラックカーボン研究のゴッドファーザー」と呼ばれたセルビアの物理学者ティホミール・ノヴァコフによって造られました。 [ 12 ]煙やすすは、重大な環境への影響があると認識された最初の汚染物質でしたが、現代の大気研究コミュニティによって研究された最後の物質の1つでもあります。
すすは、可視光領域で弱い吸収を示す有機化合物と、吸収率の高い黒色成分(「元素状炭素」「グラファイト状炭素」「ブラックカーボン」などと呼ばれる)の複雑な混合物から構成されています。「元素状炭素」という用語は、熱化学分析や湿式化学分析において用いられ、「グラファイト状炭素」という用語は、ラマン分光法によって証明されるように、すす中にグラファイトのような微結晶構造が存在することを示唆しています。[ 13 ]「ブラックカーボン」という用語は、このすす成分が可視光の吸収を主に担っていることを示唆するために使用されます。[ 14 ] [ 15 ]「ブラックカーボン」という用語は、すすの元素成分とグラファイト成分の両方の同義語として使用されることもあります。[ 16 ] 「ブラックカーボン」は、光線の吸収または分散に基づく様々なタイプの装置を用いて測定したり、ノイズ測定から導出したりできます。[ 17 ]
早期の緩和策
[編集]1950年代初頭のロンドンにおける石炭による大気汚染が人間の健康と死亡率に及ぼした壊滅的な影響をきっかけに、1956年に英国大気浄化法が制定されました。この法律により、英国では煤煙濃度が劇的に減少し、続いてピッツバーグやセントルイスなどの米国の都市でも同様の減少が見られました。これらの減少は主に、家庭用暖房用の軟質炭の使用を減らし、「無煙」石炭、あるいは燃料油や天然ガスなどの他の燃料に切り替えたことで達成されました。欧州と米国の工業都市における煙害の着実な減少により、少なくとも米国では、研究の重点は煤煙排出から離れ、エアロゾルの重要な成分としての黒色炭素はほぼ完全に無視されるようになりました。
しかし、1970年代に行われた一連の研究によってこの状況は大きく変わり、米国とヨーロッパの都市部エアロゾルにおいて、黒色炭素と有機煤成分が依然として大きな成分であることが明らかになりました[ 15 ] [ 18 ] [ 19 ]。これにより、これらの排出規制が改善されました。煤排出の規制が限られていた、あるいは全くなかった世界の発展途上地域では、人口増加に伴い大気質は悪化し続けました。これらの地域からの排出が地球規模の影響という観点から極めて重要であることが広く認識されるようになったのは、何年も後のことでした。
地球の大気への影響
[編集]上述の進展のほとんどは、都市大気の大気質に関連しています。ブラックカーボンがより広い地球規模の文脈で果たす役割についての最初の兆候は、北極の煙霧現象の研究から得られました。[ 20 ]ブラックカーボンは、北極の煙霧エアロゾル[ 21 ]と北極の雪[ 22 ]で確認されました。
一般的に、エアロゾル粒子は放射バランスに影響を与え、冷却効果または加熱効果をもたらします。温度変化の程度と極性は、エアロゾルの光学特性、エアロゾル濃度、および下層地表のアルベドに大きく依存します。純粋に散乱するエアロゾルは、通常地球大気系に吸収されるエネルギーを宇宙空間に反射し、冷却効果をもたらします。エアロゾルに吸収成分を加えると、下層地表の反射率が十分に高い場合、地球大気系の加熱につながる可能性があります。
エアロゾルが地球規模で大気放射伝達に及ぼす影響に関する初期の研究では、吸収成分がわずかで散乱が支配的なエアロゾルが想定されていました。これは、自然発生エアロゾルをよく表していると考えられるためです。しかし、前述のように、都市エアロゾルは黒色炭素の成分を多く含み、これらの粒子が地球規模で輸送されるとすれば、雪や氷のような表面アルベドの高い地表に加熱効果が期待されます。さらに、これらの粒子が雪に堆積すると、表面アルベドの低下により、さらなる加熱効果が生じると考えられます。
空間分布の測定とモデリング
[編集]黒色炭素濃度は、堆積粒子による繊維フィルターの光学特性の変化に基づいて決定されることが最も多い。フィルターの透過率、反射率、または透過率と反射率の組み合わせが測定される。エサロメーターは、フィルターチケットを通過する光の吸収率の変化を光学的に検出する装置として頻繁に使用される。米国環境保護庁(USEPA)の環境技術検証プログラムでは、エサロメーター[ 23 ]とサンセット研究所の熱光学分析装置[ 24 ]の両方が評価された。多角度吸光光度計は、透過光と反射光の両方を考慮に入れる。代替方法としては、衛星を用いた広範囲の光学的厚さの測定や、最近では非常に局所的な濃度のスペクトルノイズ分析が用いられる。[ 25 ]
1970年代後半から1980年代初頭にかけて、西北極圏全域で驚くほど高い地上濃度のブラックカーボンが観測されました。[ 21 ]モデル研究では、ブラックカーボンが極地の氷の加熱につながる可能性があることが示唆されています。北極のヘイズが太陽放射収支に及ぼす影響をモデル化する上での大きな不確実性の一つは、ブラックカーボンの垂直分布に関する知識が限られていることでした。
1983年から1984年にかけて、 NOAA AGASPプログラムの一環として、リアルタイムでブラックカーボンを測定できるエアロゾル計を用いて、北極大気中のそのような分布が初めて測定されました。[ 26 ]これらの測定結果から、北極を含む西部北極圏全体にブラックカーボンがかなり高濃度に存在することが示されました。鉛直プロファイルは、強い層状構造、または8キロメートルまでほぼ均一な分布を示し、層内の濃度は、米国の典型的な中緯度都市部の地表レベルで見られる濃度と同程度の大きさでした。[ 27 ]これらの鉛直プロファイルに関連する吸収光学的厚さは大きく、ノルウェー北極上の鉛直プロファイルからも明らかです。この鉛直プロファイルでは、ブラックカーボンと他のエアロゾル成分との外部および内部混合物の吸収光学的厚さはそれぞれ0.023~0.052と計算されました。[ 27 ]
このような大きさの光学厚さは、3月から4月にかけての測定期間中に、反射率の高い北極の雪面上の太陽放射バランスに大きな変化をもたらします。雲のない状況下で、北極のエアロゾルの吸収光学厚さを0.021(AGASP飛行の内部および外部混合物の平均に近い)としてモデル化しました。[ 28 ] [ 29 ]これらの加熱効果は、エネルギー省の基礎エネルギー科学の成果のアーカイブに記載されているように、当時、北極の温暖化傾向の主な原因の1つである可能性があると考えられていました。[ 30 ]
土壌中の存在
[編集]通常、黒色炭素は1~6%を占め、土壌に蓄えられた有機炭素の総量の最大60%は黒色炭素によるものです。[ 31 ]特に熱帯土壌では、黒色炭素は栄養素の貯蔵庫としての役割を果たします。実験では、黒色炭素の量が少ない土壌は、黒色炭素を含む土壌よりも肥沃度が著しく低いことが示されています。この土壌肥沃度の向上の一例は、おそらくコロンブス以前の先住民によって人工的に作られた、アマゾン中央部のテラ・プレタ土壌です。テラ・プレタ土壌は、平均して、周囲の不毛な土壌に比べて土壌有機物(SOM)含有量が3倍高く、栄養レベルが高く、栄養保持能力に優れています。[ 32 ]この文脈で、熱帯地域で行われている焼畑農業は、焼かれた植生から栄養分を放出することで生産性を高めるだけでなく、土壌に黒色炭素を追加することでも生産性を高めます。しかしながら、持続可能な管理のためには、CO2と揮発性黒色炭素の大量排出を防ぐため、焼畑農業の方がより効果的です。さらに、このタイプの農業は、植生が土壌浸食を防げないほど広い面積で行われると、そのプラス効果が打ち消されてしまいます。
海域での存在
[編集]山火事によって地表に残留した可溶性およびコロイド状の黒色炭素は、地下水に流入する可能性があります。地球規模で見ると、淡水域および塩水域への黒色炭素の流入量は、山火事による黒色炭素の生成量とほぼ同等です。[ 33 ]
排出源
[編集]地域別
[編集]
先進国はかつてブラックカーボン排出の主な発生源であったが、1950年代にこれらの国々で汚染防止技術が導入されたことで状況は変わり始めた。[ 5 ]米国は世界のCO2排出量の約21%を占めているが、世界の煤煙の6.1%を排出している。[ 34 ]欧州連合と米国は、現在2015年または2020年に発効予定のブラックカーボン規制の実施を加速し[ 35 ] 、審議中の国際海事機関(IMO)規制の採用を支援することで、ブラックカーボン排出量をさらに削減できる可能性がある。[ 36 ]既存の規制を拡大して、クリーンディーゼルやクリーンコール技術の利用を増やし、第二世代技術を開発することもできる。
現在、ブラックカーボン排出量の大部分は発展途上国から発生しており[ 37 ]、この傾向は増加すると予想されています。[ 38 ]ブラックカーボンの最大の発生源は、アジア、ラテンアメリカ、アフリカです。[ 39 ]中国とインドは、世界のブラックカーボン排出量の25~35%を占めています。[ 5 ]中国からのブラックカーボン排出量は、2000年から2006年の間に倍増しました。[ 5 ]クリーンディーゼルやクリーンコールなど、先進国で使用されている既存の十分にテストされた技術は、発展途上国の排出量削減に役立てることができます。[ 40 ]
ブラックカーボンの排出量は、主要な排出源地域とその周辺で最も高くなっています。そのため、ブラックカーボンによる大気の太陽熱加熱のホットスポットが地域的に発生しています。[ 5 ]ホットスポット地域には以下が含まれます。[ 5 ]
- インドのインド・ガンジス平原
- 中国東部
- 東南アジアの大部分とインドネシア
- アフリカの赤道地域
- メキシコと中央アメリカ
- 南アメリカのブラジルとペルーの大部分。
これらのホットスポットには約30億人が住んでいます。[ 5 ]
出典別
[編集]ブラックカーボンの約20%はバイオ燃料の燃焼から排出され、40%は化石燃料から、40%はバイオマスの野焼きから排出されます。[ 5 ]ブラックカーボンの排出源に関する同様の推定は次のとおりです。[ 41 ]
- 42% 野外バイオマス燃焼(森林およびサバンナの燃焼)
- 18% 住宅バイオマスを従来の技術で燃焼。
- 14% 輸送用ディーゼルエンジン。
- 10% 産業用ディーゼルエンジン。
- 10% 工業プロセスおよび発電(通常は小型ボイラーによる)。
- 6%従来の技術で燃焼した家庭用石炭。 [ 42 ]
黒色炭素の発生源は地域によって異なります。例えば、南アジアにおける煤排出量の大部分はバイオマス調理によるものですが[ 43 ]、東アジアでは家庭用および産業用の石炭燃焼がより大きな役割を果たしています。西ヨーロッパでは、主要道路に近接しているか、(自動車)交通が利用されている場所では濃度が高いため、交通が最も重要な発生源であると考えられます[ 44 ] 。
化石燃料やバイオマス由来の煤には、気候を冷却するエアロゾルや粒子状物質よりもはるかに多くのブラックカーボンが含まれているため、これらの排出源の削減は特に強力な緩和戦略となります。例えば、ディーゼルエンジンや船舶からの排出物は、他の排出源と比較してブラックカーボンの含有量が多いです。[ 45 ]したがって、ディーゼルエンジンや船舶からのブラックカーボン排出を規制することは、ブラックカーボンによる地球温暖化への影響を軽減する大きな機会となります。[ 46 ]
バイオマス燃焼は、ブラックカーボンよりも気候を冷却するエアロゾルと粒子状物質を大量に排出するため、短期的には冷却効果があります。 [ 47 ]しかし、長期的には、CO2排出量と森林伐採を考慮すると、バイオマス燃焼は正味の温暖化を引き起こす可能性があります。 [ 48 ]そのため、バイオマス排出量を削減すれば、長期的には地球温暖化が緩和され、大気汚染、CO2排出量、森林伐採の削減という相乗効果が得られます。ブラックカーボン[ 49 ]と温室効果ガス[ 50 ]を排出する直火を使ってバイオマスを灰にする焼畑農業から焼畑炭化に切り替えることで、土地利用の変化による人為的炭素排出量の年間12%を削減できると推定されています。[ 50 ]これは、年間約0.66 Gt CO2相当、つまり世界の年間CO2相当排出量の2%に相当します。[ 51 ]
2022年6月に発表された研究論文[ 52 ]で、大気科学者のクリストファー・マロニー氏とその同僚は、ロケットの打ち上げによって成層圏にエアロゾルと呼ばれる微粒子が放出され、オゾン層の損失が増加すると指摘した。[ 53 ]彼らは気候モデルを用いて、ロケットのエンジンノズルから排出される黒色炭素の影響を調べた。ロケット打ち上げ回数が増加するさまざまなシナリオを用いて、彼らは今後数十年間で、毎年のロケット打ち上げによって放出される黒色炭素の量は、少ない場合で1~10ギガグラム、多い場合で30~100ギガグラムに達する可能性があることを発見した。[ 53 ] 2022年6月に発表された別の研究では、研究者らは3Dモデルを用いてロケットの打ち上げと再突入の影響を研究した。彼らは、ロケットから放出される黒色炭素粒子が、他の発生源よりも約500倍も温暖化効果を高めることを突き止めた。[ 54 ]
影響
[編集]ブラックカーボンは超微粒子物質の一種で、大気中に放出されると、人間の早期死亡や障害を引き起こします。さらに、大気中のブラックカーボンは気候システムの放射エネルギーバランスを変化させ、気温と地表温度を上昇させ、人間、農業、そして動植物の生態系に様々な有害な環境影響をもたらします。
公衆衛生への影響
[編集]ヨーロッパにおける大気汚染物質の中で、粒子状物質は公衆衛生に最も有害です。黒色炭素粒子状物質は非常に微細な発がん物質を含んでいるため、特に有害です。[ 55 ]
大気中の黒色炭素を削減するための利用可能な緩和策を講じることで、毎年64万人から490万人の早死を防ぐことができると推定されています。[ 56 ]
人間は、局所的な発生源のすぐ近くの空気を吸入することによってブラックカーボンに曝露される。屋内の重要な発生源としては、ろうそくやバイオマス燃焼などがあるが、屋外では交通や、時には森林火災がブラックカーボンへの曝露の主な発生源である。ブラックカーボンの濃度は、(交通)発生源からの距離が離れるにつれて急激に減少するため、粒子状物質の非定型成分となる。このため、集団の曝露量を推定することが困難である。粒子状物質については、疫学研究は伝統的に単一の固定地点での測定値や推定された住宅地の濃度に依存してきた。[ 57 ]最近の研究では、交通時やその他の場所でも、自宅住所と同じくらい多くのブラックカーボンが吸入されていることが示されている。[ 58 ] [ 59 ] 曝露の大部分が高濃度の短いピークとして発生するという事実にもかかわらず、ピークの定義方法や、その頻度や健康影響の判定方法は明らかではない。[ 60 ] 高いピーク濃度は、自動車の運転中に遭遇する。車内のブラックカーボン濃度が高くなるのは、ラッシュアワー時や高速道路、交通量の多い場所での運転と関連していると言われています。[ 61 ]
ブラックカーボンへの曝露濃度が比較的低くても、成人の肺機能に直接影響を及ぼし、小児の呼吸器系に炎症を起こす。[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] 最近の研究では、ブラックカーボンは身体活動と組み合わせた場合、血圧には影響がないことがわかった。[ 65 ] すすやその他の粒子状物質の量の削減による公衆衛生上の利点は長年認識されてきた。しかし、アジアの工業化地域やシカゴなどの西側の都市部では、高濃度が依然として残っている。[ 66 ] WHOは、大気汚染によって年間200万人近くが早死にしていると推定している。[ 67 ]微粒子物質の主成分であるブラックカーボンを削減することで、大気汚染による健康リスクは減少する。実際、公衆衛生上の懸念から、ディーゼル車や調理用コンロなどからの排出物を削減する取り組みが数多く行われている。
気候への影響
[編集]直接的な影響ブラックカーボン粒子は大気中に浮遊すると太陽光を直接吸収し、惑星のアルベドを低下させます。
半直接効果:ブラックカーボンは入射する太陽放射を吸収し、大気の温度構造を乱し、雲量に影響を与える。条件によっては雲量を増加させたり減少させたりする可能性もある。[ 68 ]
雪氷アルベド効果:黒色炭素粒子は、氷や雪のような高アルベドの表面に堆積すると、太陽エネルギーを宇宙に反射するために利用可能な表面アルベドを減少させます。積雪アルベドの初期的なわずかな減少は、正のフィードバックにより大きな強制力をもたらす可能性があります。積雪アルベドの減少は表面温度を上昇させます。表面温度の上昇は積雪面積を減少させ、さらに表面アルベドを低下させます。[ 69 ]
間接的な影響ブラックカーボンは、雲の性質や挙動の変化を通じて、太陽放射の吸収や反射に間接的に変化をもたらす可能性があります。2013年に発表予定の研究によると、ブラックカーボンは気候変動において二酸化炭素に次ぐ役割を果たしています。その影響は複雑で、様々な要因から生じますが、大気中でのブラックカーボンの寿命は数世紀にも及ぶ二酸化炭素に比べて約1週間と短いため、ブラックカーボンの制御は気候変動の進行を遅らせ、あるいは逆転させる可能性を秘めています。[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]
放射強制力
[編集]ブラックカーボンの全球平均直接放射強制力の推定値は、IPCCの推定値である+0.34ワット/平方メートル(W/m 2)±0.25 [ 72 ]から、V.ラマナサンとG.カーマイケルによるより最近の推定値である0.9 W/m 2まで変動している。[ 5 ]
IPCCはまた、ブラックカーボンの全球平均の積雪アルベド効果を+0.1 ± 0.1 W/m 2と推定した。
IPCCの推定に基づくと、ブラックカーボンに対する直接的および間接的な積雪アルベド効果を合わせた、産業革命以前の全球平均放射強制力に対するブラックカーボンの寄与度は、世界的に見て3番目に大きいと結論付けるのが妥当でしょう。これに対し、ラマナサンとカーマイケルによるより最近の直接放射強制力の推定値[ 5 ]によれば、ブラックカーボンは二酸化炭素(CO2)に次いで世界平均で2番目に大きな放射強制力をもたらしており、ブラックカーボンの放射強制力は「 CO2の放射強制力の55%にも達し、 CH4、CFC、N2O 、対流圏オゾンなどの他の温室効果ガス(GHG)による放射強制力よりも大きい」と結論付けられます。
表1:黒色炭素放射強制力の推定値(影響別)
| ソース | 直接的な影響 | 半直接効果[ 73 ] | 汚れた雲の効果[ 74 ] | 雪/氷のアルベド効果 | 合計 |
| IPCC(2007)[ 75 ] | 0.34 ± 0.25 | - | - | 0.1 ± 0.1 | 0.44 ± 0.35 |
| ジェイコブソン(2001年、2004年、2006年) | 0.55 [ 76 ] | - | 0.03 [ 77 ] | 0.06 [ 78 ] | 0.64 [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] |
| ハンセン(2001年、2002年、2003年、2005年、2007年) | 0.2~0.6 [ 80 ] | 0.3 ± 0.3 [ 80 ] | 0.1 ± 0.05 [ 80 ] | 0.2 ± 0.1 [ 79 ] [ 82 ] [ 81 ] |
0.8 ± 0.4 (2001)
|
| ハンセンとナザレンコ (2004) [ 79 ] [ 82 ] [ 81 ] | - | - | - | 世界全体で約0.3
|
- |
| ラマナサン(2007)[ 85 ] | 0.9 | - | - | 0.1から0.3 | 1.0から1.2 |
表2:推定気候強制力(W/m 2)
| 成分 | IPCC(2007)[ 86 ] | ハンセンら(2005)[ 47 ] |
|---|---|---|
| CO2 | 1.66 | 1.50 |
| 紀元前 | 0.05~0.55 | 0.8 |
| CH 4 | 0.48 | 0.55 |
| 対流圏オゾン | 0.35 | 0.40 |
| ハロカーボン | 0.34 | 0.30 |
| N2O | 0.16 | 0.15 |
北極の氷とヒマラヤの氷河への影響
[編集]IPCCによると、「雪や氷、雲などの反射率の高い表面上にブラックカーボンが存在すると、有意な正の放射強制力が生じる可能性がある」とのことです。[ 87 ] [ 83 ] IPCCはまた、通常は負の放射強制力を持つバイオマス燃焼による排出が[ 47 ] 、ヒマラヤなどの雪原では正の放射強制力を持つことにも言及しています。[ 88 ] 2013年の研究では、北極に堆積したブラックカーボンの40%以上がガスフレアによるものであることが定量化されました。 [ 89 ] [ 90 ]
チャールズ・ゼンダー氏によると、黒色炭素は北極の氷の融解に大きく寄与しており、その排出量を削減することが「我々が知る限り、北極の温暖化を緩和する最も効果的な方法」である可能性がある。[ 91 ] 「雪氷アルベドの変化による気候強制力は、北半球の中・高緯度陸地および北極海上で1.0 W/m 2程度である。」 [ 83 ]「雪氷アルベドへの煤の影響は、観測された地球温暖化の4分の1を占めている可能性がある。 」 [ 83 ] NASAの科学者ジェームズ・ハンセン氏とラリッサ・ナザレンコ氏によると、「煤の堆積は氷塊の表面融解を促進し、融解水は氷の崩壊を加速させる複数の放射および動力学的なフィードバックプロセスを促進する」 。 [ 83 ]このフィードバックプロセスの結果、「雪上の黒色炭素は、同量のCO2強制力の約3倍の温暖化をもたらす。」[ 92 ]北極の黒色炭素濃度が冬から春にかけて北極煙霧の影響で増加すると、地表温度が0.5℃上昇します。[ 93 ] [ 94 ]黒色炭素の排出は北極の氷の融解にも大きく寄与しており、これは「気候において、凍結した水と液体の水を分ける0℃の境界、つまり明るく反射する雪と氷と暗く熱を吸収する海を隔てる境界以上に『転換点』として適切に表現できるものはない」ため、極めて重要です。[ 95 ]
北ユーラシア、北米、アジアからのブラックカーボン排出は、北極の温暖化に絶対的に最も大きな影響を与えている。[ 93 ]しかし、北極内で実際に発生しているブラックカーボン排出は、他の場所で発生した排出よりも、粒子当たりの北極温暖化への影響が不釣り合いに大きい。[ 93 ]北極の氷が溶け、船舶の活動が増加すると、北極内で発生した排出量が増加すると予想される。[ 96 ]
ヒマラヤ山脈などの一部の地域では、黒色炭素が積雪や氷河の融解に与える影響は、二酸化炭素の影響に匹敵する可能性があります。 [ 5 ]ヒマラヤ山脈上空の南アジアおよび東アジアに黒色炭素が存在することで生じる温暖な空気は、約0.6℃の温暖化に寄与しています。[ 5 ]「ヒマラヤ山脈のチベット側における気温傾向の分析では、1℃を超える温暖化が明らかになりました。」[ 5 ] 2003年にエベレスト(チョモランマ)の氷河鞍部で行われた夏のエアロゾル採取では、南アジアからの工業的に生成された硫酸塩が、標高の高いヒマラヤ山脈を越えて渡来する可能性があることが示されました。[ 97 ]これは、南アジアの黒色炭素も同様の輸送手段を持つ可能性があることを示唆しています。そして、そのようなシグナルはチベット奥地の黒色炭素モニタリング地点で検出された可能性があります。[ 98 ]積雪サンプルの採取と測定から、ヒマラヤの氷河に堆積した黒色炭素が表面アルベドを0.01~0.02低下させる可能性があることが示唆された。[ 99 ]東ロンブク氷河から掘削された浅い氷床コアに基づく黒色炭素記録は、1990年代以降、氷の層序における黒色炭素濃度の劇的な増加傾向を示しており、黒色炭素によって引き起こされる平均放射強制力のシミュレーションは、2002年にほぼ2 W/m 2であった。 [ 100 ]この大きな温暖化傾向は、ヒマラヤ氷河の加速的な後退の原因要因であると提案されており、[ 5 ]中国とインドの淡水供給と食糧安全保障を脅かしている。[ 101 ] 2000年以降MODISデータによって明らかになったヒマラヤ中部の氷河の全体的な暗化傾向は、春の塵などの黒色炭素と光を吸収する不純物に部分的に起因している可能性があり、その後、ヒンドゥークシュ・カラロラム・ヒマラヤ氷河全体の研究にまで広がり、2000年から2011年の間に-0.001 yr −1の広範囲にわたる暗化傾向が見出された。 [ 102 ] [ 103 ]アルベドの最も急速な減少(-0.0015 yr −1よりもマイナス)は、海抜5500メートル以上の高度で発生した。[ 103 ]
地球温暖化
[編集]IPCCは2007年の報告書で、化石燃料からの排出によるブラックカーボンの直接的な放射強制力を+0.2 W/m 2と初めて推定し、さらに雪と氷の表面アルベドへの影響によるブラックカーボンの放射強制力を+0.1 W/m 2と推定しました。[ 104 ] IPCCの報告書で引用されている同じ科学者の多くの最近の研究と公の証言では、ブラックカーボンからの排出は二酸化炭素排出に次いで地球温暖化に2番目に大きな要因であり、これらの排出を削減することが気候変動を遅らせるための最も早い戦略である可能性があると推定されています。[ 6 ] [ 7 ]
1950年以降、多くの国々が、大気質の改善による公衆衛生の向上を主な目的として、特に化石燃料源からの黒色炭素排出量を大幅に削減しており、「世界中で化石燃料関連の黒色炭素を大幅に削減する技術が存在している」[ 105 ] 。
ブラックカーボンの寿命が比較的短いことを考えると、ブラックカーボンの排出量を削減すれば数週間以内に温暖化を抑制できるだろう。ブラックカーボンは大気中に数週間しか留まらないため、ブラックカーボンの排出量を削減することが短期的には気候変動を遅らせる最速の方法となるかもしれない。[ 6 ]特に化石燃料やバイオ燃料由来のブラックカーボンの制御は、近い将来に地球温暖化を遅らせる最速の方法となる可能性が非常に高く、[ 3 ]ブラックカーボンの排出量を大幅に削減すれば、気候変動の影響を10年か20年遅らせることができる。[ 106 ]ブラックカーボンの排出量を削減すれば、グリーンランドや南極の氷床の融解による海面上昇など、急激な気候変動の転換点を気候システムが通過するのを防ぐことができるかもしれない。 [ 107 ]
「ブラックカーボンの排出は、二酸化炭素排出に次いで、現在の地球温暖化に2番目に大きく寄与している」。[ 5 ]ブラックカーボンの総合的な気候強制力は1.0~1.2 W/m 2と計算されており、「これは CO 2強制力の55%に相当し、CH 4、CFC、N 2 O、対流圏オゾンなど他の温室効果ガスによる強制力よりも大きい」。[ 5 ]他の科学者は、ブラックカーボンの強制力の総量を+ 0.2~1.1 W/m 2と推定しているが、不確実性による範囲はさまざまである。(表1を参照)これは、IPCCの気候強制力の推定値であるCO 2については1.66 W/m 2 、 CH 4については0.48 W/m 2と比較される。 (表2参照)[ 108 ]さらに、黒色炭素の強制力は、 CO2の同等の強制力よりも北半球と北極の気温上昇に2~3倍効果的である。[ 83 ] [ 109 ]
ジェイコブソンは、化石燃料とバイオ燃料のすす粒子を削減することで、観測された地球温暖化の約40%を排除できると計算しています。[ 110 ](図1を参照)。黒色炭素に加えて、化石燃料とバイオ燃料のすすには、太陽放射を地球から反射して地球を冷却するエアロゾルと粒子状物質が含まれています。[ 111 ]エアロゾルと粒子状物質を考慮すると、化石燃料とバイオ燃料のすすは約0.35℃気温を上昇させています。[ 112 ]
ブラックカーボン単体では、20年間の地球温暖化係数(GWP)は4,470、100年間のGWPは1,055~2,240と推定されている。[ 113 ] [ 114 ] [ 81 ] [ 115 ] [ 116 ]化石燃料のすすは、冷却エアロゾルや粒子状物質と混合した結果、20年間のGWPが2,530、100年間のGWPが840~1,280と低下している。[ 117 ]
国連環境計画(UNEP)と世界気象機関(WMO)が2011年に発表した「黒色炭素と対流圏オゾンの統合評価」では、二酸化炭素排出量の削減と組み合わせることで、黒色炭素、対流圏オゾン、そしてその前駆体であるメタンを削減することで、地球温暖化の速度を半減させ、北極圏の温暖化速度を3分の2に抑制できると試算されています。「温暖化のピーク」を抑制することで、二酸化炭素排出量の削減と組み合わせることで、現在の地球温暖化を30年間1.5℃未満、60年間2℃未満に抑えることができます。 (注:UNEP-WMO 2011) UNEP-WMO報告書 9ページの表1を参照。Wayback Machineに2011年11月5日アーカイブ。[ 118 ]
CO2とSLCFの削減により、 CO2も削減されると仮定すると、2030年までに地球の気温上昇を1.5℃未満に抑え、2070年までに2℃未満に抑えることができる。[ 118 ] UNEP-WMO報告書 の12ページのグラフを参照。 2011年11月5日アーカイブ、Wayback Machineにて。[ 118 ]
制御技術
[編集]ラマナサン氏は、「先進国は1950年以降、化石燃料由来のブラックカーボン排出量を5分の1以下に削減してきた。したがって、化石燃料関連のブラックカーボンを大幅に削減する技術が存在する」と指摘している。[ 119 ]
ジェイコブソン氏は、「適切な条件とインセンティブがあれば、煤を排出する技術は迅速に段階的に廃止できる。発展途上国における家庭調理など、小規模な用途では、手頃な価格で信頼できる代替手段が利用可能であれば、健康と利便性が移行を促すだろう。車両や石炭ボイラーなどの他の発生源については、既存技術への移行または新技術の開発を促すための規制的アプローチが必要になるかもしれない」と考えている。[ 3 ]
ハンセン氏は、「煤を大幅に削減し、雪のアルベドをほぼ元の状態に戻す技術は実現可能であり、気候、人間の健康、農業生産性、環境美観など、様々なメリットをもたらすだろう。すでに多くの地域では、小規模な石炭火力発電所からスクラバーを備えた発電所への移行により、石炭からの煤排出量は減少している」と述べている。[ 83 ]
ジェイコブソン氏は、「米国の自動車を化石燃料から電気自動車、プラグインハイブリッド車、または水素燃料電池車に転換することを提案している。これらの自動車では、電気または水素は風力、太陽光、地熱、水力、波力、潮力などの再生可能エネルギー源によって生成される。この転換により、米国(世界の1.5%)の化石燃料由来の煤の年間160ギガトン(24%)と、米国(世界の5.5%)の二酸化炭素の約26%が削減される」と述べている。[ 120 ]ジェイコブソン氏の推計によると、この提案により、煤と二酸化炭素排出量は年間1.63ギガトンCO2換算で削減される。 [ 121 ]しかし、彼は「炭化水素と窒素酸化物の削減は、冷却粒子もいくらか削減するため、純便益は最大で半分になるが、人々の健康状態は改善する」と指摘しており、これは一つの国で一つの政策を実施することとしては大きな削減となる。[ 122 ]
特にディーゼル車には、いくつかの効果的な技術が利用可能です。[ 123 ]より新しく、より効率的なディーゼル微粒子フィルター(DPF)またはトラップは、ブラックカーボン排出量の90%以上を除去できますが、[ 124 ]これらの装置には超低硫黄ディーゼル燃料(ULSD)が必要です。米国の新しいオンロード車およびノンロード車に対する新しい微粒子規制への適合を確実にするため、EPAはまず全国的にULSDへの移行を義務付け、これによりディーゼル車でも基準を満たすためにDPFを使用できるようになりました。最近のEPA規制により、ディーゼル車からのブラックカーボン排出量は2001年から2020年の間に約70%減少すると予想されています。」[ 125 ]全体として、「米国のブラックカーボン排出量は2001年から2020年の間に42%減少すると予測されています。[ 126 ] EPAは、すべての車両がこれらの規制の対象となるまでに、年間239,000トン以上の粒子状物質が削減されると見積もっています。[ 127 ]米国以外では、ディーゼル酸化触媒は多くの場合利用可能であり、ULSDがより広く商業化されるにつれてDPFが利用可能になります。
ディーゼルエンジンからのブラックカーボン排出量を削減するもう一つの技術は、燃料を圧縮天然ガス(CNG)に転換することです。インドのニューデリーでは、最高裁判所がバス、タクシー、人力車を含むすべての公共交通機関の車両を圧縮天然ガス(CNG)に転換するよう命じました。これは気候面でのメリットをもたらしましたが、これは「ディーゼルバスエンジンからのブラックカーボン排出量が劇的に削減されたことが主な要因」です。[ 128 ] [ 129 ]全体として、車両の燃料転換によりブラックカーボン排出量はCO2換算で10%、おそらくは30%も削減されました。 [ 128 ]主な効果は、CO2換算排出量が20%削減されたディーゼルバスエンジンによるものでした。 [ 130 ]これらの排出量削減を調査した研究によると、「このような燃料転換プロジェクトは、[UNFCCC]クリーン開発を通じて排出量を大幅に削減できる可能性がある」とのことです。[ 128 ]
船舶から毎年排出される133,000トンの粒子状物質の一部を削減する技術も開発されている。[ 46 ]海洋船舶はディーゼルエンジンを使用しており、陸上車両で使用されているものと同様の粒子状物質フィルターが現在テストされている。現在の粒子状物質フィルターと同様に、これらにも船舶はULSDを使用する必要があるが、同等の排出量削減が達成できれば、国際海運から毎年最大120,000トンの粒子状物質の排出を削減できる可能性がある。つまり、粒子状物質フィルターが陸上車両と同様に船舶からのブラックカーボン排出量を90%削減できるとわかれば、現在の133,000トンの排出量のうち120,000トンが防止されることになる。[ 131 ]船舶が使用する燃料の量を減らすだけで、船舶からのブラックカーボン排出量を削減できる他の取り組みもある。船舶は、港にいる間は電力を得るために船のディーゼルエンジンを動かすのではなく、低速で航行したり、陸上の電気を使用したりすることで、燃料を節約し、排出量を削減することができます。
レイノルズとカンドリカーは、最高裁判所が命じたニューデリーの公共交通機関における圧縮天然ガスへの移行により、気候変動による排出量が10~30%削減されたと推定している。 [ 128 ] [ 129 ]
ラマナサン氏は、「代替の省エネ型無煙調理器を提供し、小規模産業における石炭燃焼による煤煙排出を削減する技術移転を導入することで、煤煙による放射強制力に大きな影響を与えることができる」と推定している。[ 5 ]特に、南アジアと東アジアにおいて、バイオ燃料調理をブラックカーボンフリー調理器(太陽光、バイオ、天然ガス)に置き換えることの影響は劇的である。南アジアではブラックカーボン加熱が70~80%削減され、東アジアでは20~40%削減される。[ 5 ]
生分解
[編集]縮合芳香族環構造は土壌中のブラックカーボンの分解を示唆している。腐生菌は ブラックカーボンの分解における潜在的な役割について研究されている。[ 132 ]
政策オプション
[編集]多くの国では、粒子状物質の排出に関する法律を含む、ブラックカーボンの排出を規制する国内法が既に制定されています。例としては、以下のようなものがあります。
- 森林やサバンナの焼畑による伐採を禁止または規制すること。
- 港湾に停泊する船舶に陸上電源/電化を義務付け、ターミナルでのアイドリングを規制し、港湾に入港しようとする船舶に燃料基準を義務付ける。
- 定期的な車両排出ガス検査、廃棄、または改造(例えば、微粒子捕集装置の追加[ 133 ])を義務付け、大気質排出基準を満たさなかった場合の罰則や、路上を走行する「超排出」車両に対する厳しい罰則を含む。
- 特定の燃料の販売を禁止または規制し、および/または特定の用途にはよりクリーンな燃料の使用を義務付ける。
- 都市部および非都市部における煙突やその他の形態のバイオマス燃焼の使用を制限すること。
- 工業施設、発電施設、石油精製施設の運営に許可が必要となり、定期的な許可の更新や設備の改造が必要となる。
- 既存の発電所にろ過技術と高温燃焼(超臨界石炭など)を義務付け、発電所からの年間排出量を規制する。
国際環境コンプライアンス・エンフォースメントネットワークは2008年にブラックカーボンに関する気候コンプライアンスアラートを発行し、カーボンブラックの削減[説明が必要]が地球温暖化の主因を削減する費用対効果の高い方法として挙げられた。[ 134 ]
参照
[編集]参考文献
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- ^ ラマナサン証言、前掲注 8、3 ページ(「したがって、BC を大幅に削減すると、CO2 による温暖化を 10 年か 20 年相殺できる可能性があります。」)。
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- ^ 地球温暖化は総気温上昇約2℃(4℉)をもたらすはずである。しかし、観測された地球温暖化は約0.8℃にとどまっている。これは、冷却粒子が温暖化の大部分を相殺するためである。化石燃料とバイオ燃料の煤を削減すれば、観測された温暖化の約40%、総温暖化の約16%を削減できる。ジェイコブソン証言、前掲注13、3頁。(「この図はまた、化石燃料とバイオ燃料の煤が総地球温暖化(すべての温室効果ガス、煤、そしてヒートアイランド効果による温暖化)の約16%に寄与している可能性があるが、煤のみを単独で抑制すれば、正味の地球温暖化の40%を削減できる可能性があることを示している。」)
- ^ ジェイコブソン証言、同上、 4ページ。
- ^ ジェイコブソン証言、同上。
- ^ ジェイコブソン証言、同上。エアロゾルとしてのブラックカーボンの地球温暖化係数(GWP)を算出するための標準化された公式は存在しない。しかし、 CO2に対するGWP100を導出する試みは、190~2240の範囲に及ぶ。
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- ^ ジェイコブソン証言、前掲注9、9ページ。
- ^ジェイコブソンは、2005 年の米国の CO2排出量合計を6,270 メトリック トンと推定しており、そのうち 1,630 は 26% に相当します。同上。
- ^ ジェイコブソン証言、前掲注9、9ページ。
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- ^ 同上、(「DPFはPMを最大90%削減でき、場合によっては90%以上削減できます。高効率フィルターは、粒子状物質の炭素分率を制御するのに非常に効果的です。一部の健康専門家は、この炭素分がPMの最も懸念される成分である可能性があると考えています。」)
- ^ 同上、5ページ、「移動源からのブラックカーボン排出量は2001年で234 Ggと推定され、全国のブラックカーボン排出量436 Ggの54%を占める。シナリオFでは、移動源からの排出量は163 Gg減の71 Ggに減少すると予測されている。」
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{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です - ^ 同上、セクション3.1(「全体として、純CO2 (e)排出量は約10%削減され、バスを個別に考慮すると、純CO2( e)排出量は約20%削減されます」)。
- ^ つまり、微粒子フィルターによって陸上車両と同様に船舶からの黒色炭素排出量を 90 パーセント削減できれば、現在の排出量 133,000 トンのうち 120,000 トンが削減されることになります。
- ^ Hockaday WC; Grannas AM; Kim S; Hatcher PG (2006). 「火災の影響を受けた森林における溶存有機物の超高解像度質量スペクトル分析による土壌中の黒色炭素の分解と移動性に関する直接的な分子的証拠」有機化学土壌. 37 (4): 501– 510. doi : 10.1016/j.orggeochem.2005.11.003 .
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- ^ 「気候変動対策の飛躍的前進:INECEはブラックカーボン規制法の遵守を目標に」 2008年10月8日アーカイブ、 Wayback Machineによる国際環境コンプライアンス・エンフォースメントネットワークによる分析、2008年6月12日、2011年4月22日アクセス
さらに読む
[編集]- Stone, RS; Sharma, S.; Herber, A.; Eleftheriadis, K.; Nelson, DW (2014年6月10日). 「エアロゾル光学的厚さとブラックカーボン測定に基づく北極エアロゾルの特性評価」. Elementa: Science of the Anthropocene . 2 000027. Bibcode : 2014EleSA...2.0027S . doi : 10.12952/journal.elementa.000027 .
外部リンク
[編集]- 黒色炭素と対流圏オゾンの統合評価、 Wayback Machineに 2012 年 10 月 20 日アーカイブ、2012 年、国連環境計画。
- 黒色炭素とオゾンも重要な理由、2009 年 9 月/10 月号のForeign Affairs、 Veerabhadran Ramanathanおよび Jessica Seddon Wallack共著。
- 気候の脅威は私たちが打ち負かすことができる、2012年5月/6月Foreign Affairs誌、David G. Victor、Charles F. Kennel、Veerabhadran Ramanathan共著
- UCSD研究者:国際的な気候政策が失敗したところでも、草の根の努力は成功できる。CO2以外の温室効果ガスの制御は地域レベルにまで及ぶ必要がある、とForeign Affairs誌の新しい論文は述べている。 2012年4月26日カリフォルニア大学サンディエゴ校