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地球温暖化の原因は大気中のCO₂の増加であるといわれている。CO₂が地表から放射される赤外線を吸収すると、赤外線のエネルギーがCO₂の振動エネルギーに変換され、大気のエネルギーが増えるので、大気の温度は上がるといわれている。

しかし、これは本当に正しいのだろうか。物理化学の基礎知識を使って、もう一度、原点にもどって考えてみよう^※）。

気体の温度は固体の温度とは違うのか？　

固体の温度は、それらを構成する分子や原子などの粒子間の熱振動（振動エネルギー）の大きさを反映する。固体に温度計を接触させて、粒子間の振動エネルギーの大きさから温度を測ることができる。また、固体からは振動エネルギーの量に応じて赤外線が放射されるので、非接触型温度計で赤外線の量を測定して、温度を測ることもできる。

一方、気体の温度は、気体を構成する分子や原子などの粒子が空間を移動するエネルギー（並進エネルギー）を反映する。気体の中に温度計を入れて、温度計に衝突する粒子の並進エネルギーの大きさから温度を測ることができる。しかし、気体は赤外線をほとんど放射しないので、固体と異なり、非接触型温度計で温度を測ることはできない。

大気分子の並進エネルギーの大きさは何で決められるのか？　

大気分子（N_2、O₂など）は常に地表との衝突を繰り返し、熱平衡状態になっている。昼間には、大気分子は大気よりも温度の高い地表からエネルギーを受け取り、並進エネルギーが増えて大気の温度は上がり、夜間には、大気分子は大気よりも温度の低い地表へ並進エネルギーを渡し、並進エネルギーが減って大気の温度は下がる。

大気分子の並進エネルギーは地表の温度で決められ、大気と地表とのエネルギーバランスのおかげで、昼間はそれほど暑くはなく、夜間はそれほど寒くはない。もしも大気がなければ、月の表面のように、昼間には110 ℃の高温になり、夜間には－170 ℃の低温になってしまう。

大気は地球を包む布団や温室のような役割を果たす。なお、石炭や石油などの化石燃料を燃焼した場合には、昼間でも夜間でも、大気分子は放出される熱エネルギーを受け取って、並進エネルギーが増えて大気の温度は上がる。

CO₂の振動エネルギーは大気の温度を上げるのか？　

大気に含まれるCO₂が赤外線を吸収して、CO₂の振動エネルギーが増えたとしよう。しかし、固体の粒子間の振動エネルギーと異なり、気体分子の振動エネルギーは分子内のエネルギーであって並進エネルギーではないので、温度には反映されない。

赤外線の吸収によって大気の温度が上がると考えるためには、分子間の衝突によって、わずか0.04%のCO₂の振動エネルギーが、その2500倍ものすべての大気分子の並進エネルギーに変換される必要があるが、これはほとんど不可能である。

逆に、大気分子の並進エネルギーは赤外線を吸収しないCO₂の振動エネルギーに変換される^※）。この場合には、大気分子の並進エネルギーが減るので大気の温度は下がる。なお、赤外線を吸収したCO₂が赤外線を再放射すると、大気分子の並進エネルギーは変わらないので、大気の温度は変わらない。

大気中のどのくらいのCO₂が赤外線を吸収しないのか？　

CO₂の赤外線吸収のスペクトルのシグナル強度は、光源の赤外線の量と試料の長さに依存する。実験室では大量の赤外線を放射する光源を用いるので、10cmの長さの試料でもスペクトルを観測できる。

一方、地表から10cmの位置で地表から放射される赤外線を光源として用いると、赤外線の量が少なすぎてほとんどのCO₂は赤外線を吸収しないので、スペクトルを観測できない。

もしも大気の上空（100km）から地表を観測すれば、試料の長さがとても長くなるので、ほとんどのCO₂が赤外線を吸収しなくても、スペクトルを観測できる。つまり、大気に含まれるほとんどのCO₂は赤外線を吸収せずに、大気分子の並進エネルギーを受け取る役割を果たす。

赤外線を吸収してスペクトルで観測されるわずかなCO₂ではなく、赤外線を吸収しないほとんどのCO₂に着目すれば、CO₂が本当に地球温暖化の原因であるかどうかがわかる。

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※）中田宗隆「分子科学者がやさしく解説する地球温暖化Q&A 181－熱・温度の正体から解き明かす」丸善出版（2024）。