温室効果ガスを化学する
ここ最近の異常な気候。原因は地球温暖化にあると言われる。今日は温暖化の根源とされる温室効果ガスを化学する
地球温暖化現象
ここ最近、大きな台風が襲ってきたり、夏がひどく暑くなったり、逆に冬が暖かくなったり、海水面が上昇したりと環境が大きく変化している。これは地球が温暖化しているためと言われている。実は気候の変動自体は地球ができてからずっと続いているんだ。例えば恐竜のいた時代はとても暖かかったらしいし、その次のマンモスのいた時代はとても寒かったらしい。でもここ 100 年間の気温の上がり方は異常なんだ。気温が上がり始めたときと産業革命の頃が大体同じだったので、石炭や石油の大量消費と関連付けられるようになったんだ。シンキロウも人間の活動が大いに関係していると考えているけど、一方では自然現象だと考えると人たちもいるんだ
温室効果
温暖化をもたらしたのは温室効果だ。英語ではグリーンハウス効果 (greenhouse effect) という。植物園の温室や畑のビニールハウスを思い出してもらうといいかな。透明か半透明の材質で囲いを作って太陽熱やボイラーの熱逃さずに蓄えて暖かくするんだ。でも地球には屋根も壁もないのになぜ温室効果なんて起こるんだろう？
その原因の一つとして考えられているのが空気中の二酸化炭素 CO2 だ。ニュースなんかでは温室効果の主犯のように扱われているね。2019年にはグレタ・トゥンベリさんが注目を集めていたね。でもなんでCO2が熱を蓄えるのかわかるかな？これが今日の化学なんだ
CO2と温室効果
まず要点を書き出すね
- 温められた物体は赤外線 (熱線) を出す
- CO2は赤外線を吸収する
- 吸収された赤外線エネルギーは熱になる
- CO2が熱を蓄えて気温が上がる
温められた物体は赤外線 (熱線) を出す
太陽の光は地上にまんべんなく降り注いでいる。これを書いている土曜の昼下がりもうららかな日差しが降り注いでいる。その光の中には紫外線や可視光線そして赤外線が含まれている。赤外線は温められた物体からも発生している。熱いホットプレートに手を近づけると熱く感じるだろう？これは赤外線のためなんだ。この現象は黒体放射っていう。温度によって赤外線の種類が変わるのでサーモグラフィなんかに使われているね
ふつう物体から発射された赤外線は宇宙に逃げていってしまう。冬のよく晴れた朝はすごく冷えることがあるだろう？これは放射冷却といって空に何もないとき地表の熱つまり赤外線が宇宙に逃げていくから冷えるんだ
CO2は赤外線を吸収する
CO2は赤外線を吸収する。どうやって吸収するのかを見ていこう。下の図を見てほしい。空気を化赤外線吸収スペクトル装置で測定したときのデータだ。下に数値が書いてあるけど、赤外線のエネルギーと思ってほしい。2300 cm-1 あたりにある二本のツノ、これがCO2が吸収した赤外線のエネルギーなんだ
CO2 分子は下の図のように酸素原子と炭素原子が直線的には二重結合でつながった構造をしている。化学結合はバネのようにイメージされることが多いんだけど、このバネは特定の赤外線エネルギーを吸収して伸び縮みするんだ。多くの分子も吸収するんだけど、CO2の場合吸収が強くて排出量が莫大だから温室効果の原因とされているんだ
CO2 が熱を蓄えると気温が上がる
吸収した赤外線エネルギーは分子の振動に変化する。分子の振動エネルギー ＝ 熱エネルギーだ。空気中では分子同士がぶつかり合って他の分子に熱を与えていく。寒い部屋に暖かい空気を入れてもすぐに寒くなるけど、それは暖かい空気が冷たい空気に熱を与えているからなんだ。逆に言うと冷たい空気は少し温まっている。さらにCO2 は赤外線を吸収するのでどんどん空気ば熱くなる、温室効果だ
CO2 は本当に困ったものだけど、実は他にも強力な助っ人がいる。さっきの赤外線吸収スペクトルを見ると3400 cm-1 に大きな谷がある。これ、実は水分子の吸収なんだ。水蒸気は温室効果ガスなんだ。だから水滴でできた雲がある日には放射冷却が起こらないんだ
でもある程度は温室効果ガスが存在しないと地球は夜になると冷えてしまう。地表の温度は20~30℃だけど、宇宙空間の温度は約-270 ℃。毎晩凍りつくようでは地球に生命は誕生しなかっただろうね
