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先日、「今更ですが、CO₂は地球温暖化の原因ですか？」という記事を寄稿した。

今回の記事では、その疑問に対して、物理化学の基礎知識を使ってさらに詳しく回答する^※1)。

大気の温度は人類が放出する物質の温度で変化する

水に熱湯を加えれば温度が上がり、冷水を加えれば温度が下がる。同じように、たとえば、石炭や石油などを燃焼したときの高温のCO₂を放出すれば大気の温度が上がり、ドライアイスから昇華する低温のCO₂の気体を放出すれば温度が下がる。同じCO₂でも、高温のCO₂ならば大気の温度は上がり、低温のCO₂ならば大気の温度は下がる。

高温のCO₂は空間を移動するエネルギー（並進エネルギー）の大きいCO₂のことであり、低温のCO₂は並進エネルギーの小さいCO₂のことである。高温のCO₂が大気に放出されれば、大気分子（N₂やO₂など）との分子間衝突によって、CO₂から大気分子に並進エネルギーが移動し、大気の温度が上がる。一方、低温のCO₂が大気に放出されれば、大気分子からCO₂に並進エネルギーが移動し、大気の温度が下がる。

大気圧（1気圧）で常温（25℃）では、1秒間に約1億回の分子間衝突が起こっているので、CO₂が大気に放出されると、ただちに並進エネルギーの移動が起こる。このエネルギー移動はCO₂でなくても、H₂やNH₃でも起こる。大気の温度は放出される分子の温度（並進エネルギーの大きさ）で変化し、分子の種類には依存しない。

並進エネルギーだけではなく、CO₂の振動エネルギーも移動する

分子間衝突によって、並進エネルギーだけではなく、CO₂の振動エネルギーの移動も起こる。高温のCO₂が温度の低い大気に放出されると、CO₂の並進エネルギーも振動エネルギーも大気分子の並進エネルギーになり、大気の温度は上がる。

低温のCO₂が温度の高い大気に放出されると、大気分子の並進エネルギーはCO₂の並進エネルギーや振動エネルギーになり、大気の温度が下がる。CO₂の振動エネルギーが増えても赤外線を放射することはほとんどない。もしも、振動エネルギーが増えたCO₂が赤外線を放射すると、その振動エネルギーを補うように、大気分子の並進エネルギーがCO₂の振動エネルギーになる。

大気中のCO₂の赤外線吸収は過大評価されている

CO₂が地表から放射される赤外線を吸収すると、振動エネルギーが増える。どのくらいの赤外線がCO₂によって吸収されるのだろうか。

IPCC（気候変動に関する政府間パネル）が議論し、地球温暖化の原因がCO₂である根拠とする放射強制力のスペクトルを図1に示す。スペクトルでは大気中のCO₂などによる赤外線吸収が上向きに現れていると思えばよい。以下、筆者の専門である分子分光学の知見をもとに、この図を読み解く。

図1　放射強制力のスペクトル
出典：天文学辞典（公社日本天文学会）

固体や液体の赤外線吸収スペクトルは、粒子間のさまざまな相互作用のために、吸収幅の広い振動スペクトルになる。一方、空間を自由に運動する気体の分子は、回転しながら振動するので、赤外線吸収スペクトルは吸収幅のとても狭い振動回転線の集合となる。

大気中のCO₂の変角振動（約15μm）による赤外線の吸収は、ほとんどがQ-枝とよばれる振動回転線の集合のはずであり、分解能の高い分光器で測定すれば、分子間衝突を考慮して見積もっても、吸収幅は約0.05 μm（= 2cm^-1）以下となる。

しかし、図1のスペクトルで、CO₂の吸収は13～17μmの範囲だから、吸収幅は約4μm（= 180 cm^-1）であり、まるで、大気中のCO₂がたくさんの赤外線を吸収しているかのように見える。もしも、分解能の高い分光器で測定すれば、実際には、CO₂は図1の1/90（= 2cm^-1/180cm^-1）の赤外線しか吸収せず、ほとんどの波長の赤外線が宇宙に放射されていることがわかる。

なお、感度が高く、分解能の高い分光器で測定すると、Q-枝の両側にP-枝とR-枝があることがわかるが、それらの赤外線吸収はQ-枝に比べてかなり弱い。また、P-枝とR-枝は振動回転線の間隔が広く、それらの１本１本の振動回転線の間には、CO₂によって吸収されない赤外線がたくさんある。

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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）。