空を大きなボウルの青いスープだと考えてみてください。その成分は酸素、窒素、二酸化炭素で、科学者は正確に測定できます。しかし、産業革命以降、人類は化石燃料を燃やすことで大量の二酸化炭素を排出し、地球の気温を1.2℃上昇させ、計算を複雑化させています。
大気中のスープに含まれる二酸化炭素の総量を知るのは簡単ですが、人類が特定の時点でどれだけの量を排出しているかを分析するのは困難です。地球の自然現象も二酸化炭素を生成するため、そして文明自体の排出源が非常に多く、その一部は時間とともに増減するからです。それはまるで、実際のスープに塩を少量投入し、それが液体に触れた 後にどれだけの粒が入ったかを正確に数えようとするようなものです。
しかし、大気科学者ができることは、目録を作成すること、つまり地球上で生成される二酸化炭素を徹底的に計測する「ボトムアップ」の取り組みです。例えば、特定の時間に燃焼されるガソリンの量と稼働している化石燃料発電所の数を合計することで、大気中に排出される炭素量を計算することができます。非常に正確ではありますが、目録作成には時間がかかります。これは主に、一部のデータが少しずつ入ってくるのが遅いためです。気候変動対策を講じる際には、タイムリーさが重要です。なぜなら、二酸化炭素の発生源を特定し、できるだけ早く排除する必要があるからです。例えば、石炭を再生可能エネルギーに、ガソリン車を電気自動車に、ガス炉をヒートポンプに置き換えるなどです。
なぜ研究者はもっと「トップダウン」的なアプローチ、つまり地球上の特定の地点に衛星を向け、そこから放出される二酸化炭素を測定することができないのかと疑問に思うかもしれません。地球上の特定の地域では、例えばNASAの衛星がロサンゼルス盆地上空で測定を行ったように、このアプローチは試みられてきました。しかし、いくつか問題があります。空気は混ざり合うため、排出源を正確に特定することは困難です。また、地球の自然な炭素循環によって生成される二酸化炭素から、人類の排出を区別することが難しい場合もあります。植物は光合成を行う際に、炭素を吸収して組織に閉じ込め、代わりに酸素を放出します。植物が死んで腐敗すると、その炭素は再び放出されます。
しかし今、新型コロナウイルス感染症のパンデミックは、奇妙なことに、科学者たちに化石燃料排出量の微細な変化を推定するためのより優れたトップダウンツールを与えた。研究チームは英国沿岸のウェイボーン大気観測所を利用し、大気中の二酸化炭素と酸素を別々に測定し、その測定値を合計した。そして、化石燃料排出による 酸素と二酸化炭素の不均衡を計算する「大気潜在酸素量（APO）」と呼ばれる手法を用いた。
自然発生と人為発生を区別する鍵は、二酸化炭素と酸素の比率です。植物は二酸化炭素と酸素を1対1で処理します。つまり、吸収する二酸化炭素量と放出する酸素量は同じなので、両者は相殺されます。一方、化石燃料の燃焼は、二酸化炭素の排出よりも多くの酸素を消費します。
パンデミック中に化石燃料による排出量が突然劇的に減少したことで、研究者たちはAPOがCO2の発生源をどれほど正確に特定できるかを検証するまたとない機会を得た。ロックダウンによって人為的な排出量は明らかに減少したが、自然発生的な排出量は一定であった。そこで研究者たちは、このツールが両者を区別できるはずだと考えた。
ウェイボーン大気観測所はイングランド北ノーフォーク海岸にある気象観測所で、湿度や気温などの気象条件を追跡し、二酸化炭素と酸素のほかに亜酸化窒素などさまざまなガスを採取している。研究者らは、10年分の大気測定値を使って機械学習モデルを訓練した。このモデルは、風速や風向など、どのような条件下で化石燃料の排出量が多かったか少なかったか、またそれらの気団がどこから来たのか、どの陸地と相互作用したのかを学習した。「そして、どんな排出物がその気団と相互作用した可能性があるかがわかります」とイースト・アングリア大学の大気科学者で、この研究を記した新しい論文をScience Advances誌に執筆した筆頭著者のペネロピ・ピッカーズ氏は言う。「そのため、現場に到着したときに APO を使用して化石燃料と天然の二酸化炭素を分離できれば、最近の排出量がいくらだったかがわかります」
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APOが化石燃料由来のCO2トレーサーであることを検証するため、ピッカーズ氏と同僚らは、パンデミック前の観測所の測定値に基づいてトレーニングされたアルゴリズムを使用して、 2度のパンデミックによるロックダウン（1度は2020年3月から7月、もう1度は2020年11月から2021年1月）がなければ、排出量がどうなっていたかを予測した。次に、この予測値を、ロックダウン中に収集した実際のAPOデータと比較した。その差から、パンデミック中に排出量がどの程度減少したかを推定し、既知のエネルギー使用量に基づく推定法など、他の推定手法で得られた結果と匹敵する結果が得られた。このようにして、研究者らは、APOがこれら2つの期間中に化石燃料由来の大気中のCO2が減少した時期を正確に検出したことを実証した。
「大気は、化石燃料由来のCO2変化と、植生、陸上炭素循環、そして海洋吸収によるCO2変化の両方を経験しています」と、パシフィック・ノースウエスト国立研究所のコミュニティ排出データシステムの主任研究員であるスティーブン・スミス氏は述べている。スミス氏は今回の研究には関与していない。「この手法は、その影響を分離できる点で興味深いのです。」
APOは人為的なCO2排出源を正確に区別することはできない。例えば、自動車由来の排出と発電所由来の排出を区別することはできない。しかし、特定の地理的エリアにおける排出量を解析することは可能なので、この技術を他の地上観測所で活用すれば、例えば自動車の排出ガス規制の強化後など、地域的な排出量がほぼリアルタイムでどのように変化するかを調べることができるだろう。NASAジェット推進研究所で大気中の炭素を研究するジョシュア・ラフナー氏は、「私の意見では、これは本当に非常に興味深い論文です」と述べている。（ラフナー氏は今回の研究には関与しておらず、NASAやJPLを代表して発言しているわけでもない。）「CO2とO2の測定値を組み合わせるという彼らのアイデアは素晴らしいと思います。生物圏からの信号と人間の信号を分離するという問題は、私たちがこれまで様々な方法で解決しようと、あるいはアプローチしようとしてきた問題ですが、これは本当に巧妙なアプローチです」。
APOは他の排出量算出方法に取って代わるものではなく、それらを補完するものです。それぞれの手法には長所と短所があります。衛星は高価ですが、地球上のあらゆる場所を拡大表示できます。ボトムアップ型のインベントリは時間がかかる場合がありますが、排出量を非常に正確に把握でき、APOとは異なり、異なる燃料由来の排出量を区別することができます。APOのアプローチはインベントリよりもリアルタイム監視に近いですが、データ収集には観測所が必要となるため、少なくとも当面は衛星画像よりも地域的な範囲に限定されます。
「地上観測は、衛星と比べて常にこの特有の課題を抱えています」と、ノーザンアリゾナ大学の気候科学者ケビン・ガーニー氏は語る。同氏は独自のプラットフォーム「Vulcan」を使い、国勢調査、交通量、その他のデータを用いて排出量を正確に定量化している。（ガーニー氏は今回の研究には関与していない。）「しかし、地上観測の件数を増やし、戦略的かつ高密度に配置することで、国や地域を慎重に特定することができない理由はないのです」
ガーニー氏は、こうした作業は重要だと言う。なぜなら、炭素を排出する前に、その発生源を把握しなければならないからだ。「正確さがあれば、何に取り組むべきか、優先順位をより的確に判断できるのです」とガーニー氏は言う。緩和策が実施されれば、例えばある都市が建物の断熱によってエネルギーの無駄を減らすプログラムを開始すれば、排出量をリアルタイムで監視することで、当局はそれがうまく機能しているかどうかを判断し、それに応じて対応できるようになる。「軌道から外れたら、できるだけ早く知りたいので、追跡調査は必要です」とガーニー氏は言う。
これらすべてを網羅する単一の手法は存在しません。APO観測所のネットワークは、衛星監視や古き良きインベントリーと連携することで、大気中の炭素スープがどのように変化しているかをより正確に把握できる可能性があります。「私たちはすでに、世界のいくつかの地域にかなり優れた観測所ネットワークを構築しています」とピッカーズ氏は言います。「排出量の削減を成功させたいのであれば、排出量の変化がどのように起こっているかに関する情報を、適切な規模で迅速に得ることが非常に重要です。」
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