温暖化とエネルギー

[WERDさん]

今年も相変わらずの猛暑の連続なので、地球温暖化問題について考えてみることにする。

この地球温暖化問題、たいていの人々は二酸化炭素の温室効果を一番の要因として挙げてくるだろうと思われるが、最近ではこの説の信憑性が薄れつつあるのも一つの事実。当時、アル＝ゴア氏が世界初の環境長者になったことが象徴しているように、この二酸化炭素説には利権が絡んでいる。これらを支持するデータには、壮絶なるカーブフィッティングが行われているのは科学者ならだれでも知っているだろう。

現在では、温暖化は二酸化炭素だけでなく、様々な要因が重なって発生した、複合要因説が優勢であると思われる。今回の日記では、その中の要因として考えられる仮説の一つを紹介したい。

「大気圧上昇説」

真夏なのに、富士山の頂上では雪が残っていたりするのは、大気圧の低下によるものだ。標高が100m上昇すると気温はおよそ0.6度下がると言われている。富士山の場合はおよそ4000mなので、この場合、富士山の頂上と地上部（0m)の気温差は、

4000/100 × 0.6 = 28(度)

という計算になる。

ここで気を付けないといけないのは、

(大気圧低下)　⇒　(高い場所に移動すること)

ではないということ。この場合、標高の高いところでは大気圧が低いところより相対的に低いのであって、それは絶対的な値ではないのだ。絶対的な値は、大気の総質量で決まる。同じ標高でも、低気圧と高気圧によって気温が違うように、地球全体の空気の質量が増えてしまえば、平均大気圧は上昇することになるのだ。

つまり、人間活動により、気体分子が大量に大気中に放出された場合、地球全体の空気の量が増えることにより、大気圧が上昇し、結果的に気温の上昇を招いてしまうのだ。

現在、人類がその歴史の中で最も排出してきた気体は、二酸化炭素であると考えられる。

果たしてこの二酸化炭素はどれくらい大気圧を上昇させる効果があるのだろうか？

この二酸化炭素の主要な発生源としては、化石燃料が挙げられるだろう。化石燃料は炭素が主成分であるが、化学反応の過程で、C（炭素）1原子が酸素2原子と結合したところで、CO2の１分子が生成されるだけであるので、酸素から二酸化炭素へと化合する中で、分子数が増えるわけでもなく、1molあたりの体積、すなわち理想気体22.4リットルという体積は維持させるということになる。

分子間力の変化は無視できるとして、体積においては、大気圧上昇には貢献しないが、その質量においては、C炭素1原子分、つまり、燃焼した炭素の質量分だけ増加することになる。すなわち、化石燃料を燃やした分だけ、燃焼に使われた化石燃料の質量の分大気が重くなり、この生成された重い気体の分だけ、大気圧の上昇に貢献することになる。

理想気体の状態方程式pV=nRTより、圧力と温度の間には相関関係があり、大気圧が上昇すると、気温も上昇する関係が存在する。たとえば、富士山3000mで大気圧が700hPaで気温が0(273K)度、標高0mで大気圧が1000hPa,　気温が20(300K)度だとすると、100mあたり0.6度の温度差が生じていることになる。そうすると、地球温暖化で気温が100年で3度上昇することは、すなわち、地球の大気（二酸化炭素の質量増加分を除く）の直径が平均500m増えるのと同じことを意味する。そこで、二酸化炭素の増加における、大気圧上昇がどれほど温暖化に影響をあたえるかは、

①全地球において、大気が500m上昇した時における、空気の上昇体積からその総質量を導き出す。

②人類活動における累計の化石燃料消費量（炭素）の総質量を導き出す。

③それぞれにおいて求めた値を（②の値/①の値）×(100)を計算することで、温暖化における、大気圧上昇効果のシェア（影響度）を評価する。

・・という過程で導くことができる。

ここでは、具体的な数値を調べるのは難しいので、仮数値を利用して、実際に計算してみることにする。

①空気はＯ２（モル質量３２）が２０％、Ｎ２（モル質量２８）が８０％として、理想気体1mol(22.4l)あたりの質量は、

　32(g/mol)×0.2mol + 28(g/mol)×0.8mol = 27.52g

本来、地球は球形であるが、ここでの大気の増加分は、複雑な計算の省略のため、

（地球の表面積）×500m　で求めることにする。

地球の表面積は、地球1周4万キロメートルかかることより、まず半径を求める。

（半径×２）×3.14 = 40000000m より

（半径)　＝　40000000/3.14×2 = 6369426（少数以下略）

（地球の表面積）＝ 4×3.14×6369426^2 = 509554019872618（少数以下略）

よって、（大気の上昇体積）= 509554019872618×500

理想気体22.4リットルは、22.4×10^-3 (m^3)より

求める体積上昇分の質量増加は

（質量増加) = (509554019872618×500 / 22.4×10^-3) ×27.52

= 31301175506460820000 g

②2009年の二酸化炭素排出量は291億トンと言われているので、これが100年持続した時の炭素排出質量合計を求める。

まず、ＣＯ２（モル質量４４）のうちＣは（モル質量１２）を占めるので、

大気における炭素の質量を合計すると、

（人類の累計炭素排出量）＝　（人類の累計二酸化炭素消費量）×(12/44)

となる

ここで、人類の累計炭素排出量は

（人類の累計炭素排出量）= 29100000000(t)×1000000(t/g) ×100(年)×(12/44)

=793636363636363636g (小数点以下略)

となる。

③以上より、大気圧上昇効果による温暖化への影響をパーセンテージ評価に直すと、

(793636363636363636 / 31301175506460820000) ×100

= 2.53(%)

とりあえず日記の一記事ということで、計算を大幅に簡略化。めちゃくちゃテキトーな値がでてきた。

この場合、二酸化炭素の温室効果で、地球の気温が３度くらい上昇したとして、その２．５％くらいは、大気圧上昇要因である可能性が示された。

この計算方法の場合、毎年上昇している二酸化炭素の排出増は考慮されてないし、空気の体積を地球の表面積と高さの積で表しているため、この数字はかなり控えめの値だ。現実問題としては、この数字の倍近い効果をもたらすと予測される。

では、こうした大気圧上昇効果による温暖化を止めるには、どうしたら良いだろうか？

やり方としては、

①福島の時みたく土地を埋め立てて500mかさ上げする。

②空気を固形化して、大気の総質量を減らす。

の方法があるだろう。

が、しかし、いずれの場合も天文学的な予算がかかり、全く採算が合わないだろう。②については、二酸化炭素を海底に沈めるプロジェクトまで出ているが、結局頓挫しつつあるのだ。

そこで、私は以下の政策を提案したい。

「シェールガス革命による、天然ガスへのエネルギーシフト」

天然ガスの主成分はメタンであるが、以下の燃焼化学反応式を見てもらいたい。

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

メタンと酸素はともに気体であり、反応後は液体の水と気体の二酸化炭素が発生するのだが、ここで重要なのは、その気体の合計モル数の比である。

反応前の気体のモル数は、メタン１分子と酸素２分子の３モルだが、反応後の気体は、二酸化炭素の１モルだけに減少していることが分かる。

さらに、メタンが地中に埋まっていることを考慮に入れて、反応前の酸素２分子と反応後の二酸化炭素１分子の合計モル質量を比較しても、64：44となり、気体の合計質量ベースでも減少している。

これは、メタンを燃焼させると、地球上の空気の総質量と総体積が減少することを示している。

まあ、これは当たり前の話で、燃焼時に発生する空気の量は、固体、液体、気体、の順になるのだ。

燃焼により発生する気体総量は、

石炭（固体) > 石油(液体) > 天然ガス(気体)

ということになる。

結果として、天然ガスは、二酸化炭素という温室効果ガスを発生する一方で、地球の大気圧を減少させることによるクールダウン効果を併せ持つ性質があるといえる。

まさに、これからの環境社会にふさわしい、次世代エネルギーであるのだ。