温室効果の量子力学

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

1896年、スウェーデンの物理学者スヴァンテ・アレニウスは、二酸化炭素（CO2）が地球の大気中に熱を閉じ込める現象を発見しました_。この現象は現在、温室効果と呼ばれています。それ以来、ますます洗練された現代の気候モデルは、アレニウスの中心的な結論、すなわち大気中のCO2濃度が2倍になるたびに地球の気温は2～5℃上昇するという結論を検証してきまし_た。

_{それでも、 CO2 が}このように反応する物理的な理由は、最近まで謎のままでした。

まず、2022年に物理学者たちは温室効果の「対数スケーリング」の起源をめぐる論争に決着をつけました。これは、二酸化炭素濃度が倍増すると、その数値に関わらず地球の気温が一定量上昇するという現象を指し_ます。

そして今春、ハーバード大学のロビン・ワーズワース率いる研究チームは、二酸化炭素_分子がそもそもなぜこれほど熱を閉じ込めやすいのかを解明しました。研究者たちは、二酸化炭素分子の量子構造に奇妙な特異性があることを明らかにし、それが二酸化炭素が強力な温室効果ガスである理由、そして大気中に放出される二酸化炭素量の増加が気候変動を促進する理由を説明しています。この研究結果は『The Planetary Science Journal 』に掲載されました。

「本当に素晴らしい論文です」と、オックスフォード大学の大気物理学者、レイモンド・ピエールハンバート氏は述べた。同氏は今回の研究には関わっていない。「地球温暖化は単なるコンピューターモデルから導き出されたものだと主張する人々への良い回答です。」

それどころか、地球温暖化は、CO2 が変動する 2 つの異なる方法を伴う数値的な偶然の一致に結びついてい_ます。

「この事故がなかったら、多くのことが違っていただろう」とピエールハンバート氏は語った。

古い結論

量子力学が発見される以前に、アルレニウスはどのようにして温室効果の基礎を理解できたのでしょうか？その始まりは、フランスの数学者であり物理学者でもあったジョセフ・フーリエです。彼はちょうど200年前、地球の大気が宇宙の極寒から地球を遮断していることに気づき、この発見が気候科学という分野の幕開けとなりました。その後、1856年にアメリカのユーニス・フットが二酸化炭素が特に放射線を吸収しやすいことを発見しました。次に、アイルランドの物理学者ジョン・ティンダルが二酸化炭素が吸収する赤外線の量を測定し_、その効果を示しました。アルレニウスは地球に関する基礎知識を用いて、この効果を定量化しました。

地球は赤外線の形で熱を放射しています。温室効果の要点は、その光の一部が宇宙に直接逃げる代わりに、大気中の二酸化炭素分子に当たることです_。ある分子が光を吸収し、再び放射します。そして別の分子が再び放射します。光は地表に向かって下に向かうこともあれば、宇宙へと向かい、地球をほんの少しだけ冷やすこともありますが、それは大気圏の上層部へとギザギザの経路を辿って行った後のことです。

今日の気候科学者が用いる数学的アプローチのより粗雑なバージョンを用いて、アレニウスは二酸化炭素の排出量が増えると地球の表面温度が上昇すると結論付けました_。これは、冬に家を暖かく保つために壁に断熱材を入れるようなものです。暖房器具からの熱は同じ速度で入りますが、逃げる速度は遅くなります。

しかし数年後、スウェーデンの物理学者クヌート・オングストロームが反論を発表しました。彼は、CO2分子は赤外線の特定の波長、つまり15ミクロンしか吸収しないと主張しました_。そして、大気中にはすでに地球が放射する15ミクロンの光を100%吸収するのに十分な量のCO2が存在していたため、これ以上CO2を放出しても_何の効果もないと主張しました。

_{オングストロームが見落としていたのは、 CO2が}15ミクロンよりわずかに短い、あるいは長い波長を吸収する可能性があるものの、その吸収率は低いという事実です。この光は宇宙への旅の途中で捕捉される回数が少なくなります。

しかし、二酸化炭素の量が倍増すると、この吸収率は変化します。光は逃げる前に避けなければならない分子の数が倍になり、その過程でより多くの吸収を受ける傾向があります。より高く冷たい大気層から逃げるため、熱の流出は細流にまで減速します。気候変動の原因となっているのは、この15ミクロン付近の波長の吸収が高まったことです。

誤りにもかかわらず、オングストロームの論文は、アレニウスの理論に対する同時代人の間で十分な疑念を抱かせ、気候変動に関する議論は半世紀にわたって主流から外れてしまいました。今日でも、気候変動に関するコンセンサスに懐疑的な人々は、オングストロームの誤った炭素「飽和」論を引用することがあります。

基本に戻る

初期の時代とは対照的に、現代の気候科学は、混沌とし変化する大気の複雑で混沌とした側面を捉える計算モデルによって大きく進歩しました。そのため、一部の人にとっては結論の理解が難しくなっています。

「多くの懐疑的な物理学者と話してきましたが、彼らの反論の一つは『あなたたちはただコンピューターモデルを走らせて、ブラックボックスの計算から得た答えをそのまま受け入れているだけで、それを深く理解していない』というものです」と、アメリカ海洋大気庁（NOAA）の大気物理学者、ナディール・ジーバンジー氏は述べた。「なぜそのような数値が出たのか、黒板で誰かに説明できないのは、少し不満です。」

_{ジーバンジー氏と彼のような人々は、二酸化炭素}濃度が気候に与える影響について、より単純な理解を深めることを目指してきました。

重要な疑問の一つは、温室効果の対数的スケーリングの起源でした。温室効果とは、二酸化炭素濃度が倍増するごとに2～5度の気温上昇が起こるとモデルが予測している現象です_。ある理論では、このスケーリングは高度が上昇するにつれて気温が下がる速さに起因していると考えられていました。しかし2022年、ある研究チームは単純なモデルを用いて、この対数的スケーリングは二酸化炭素の吸収「スペクトル」の形状、つまり光の波長によって光吸収能力がどのように変化するかに起因していることを証明しました。

これは15ミクロンよりわずかに長い、あるいは短い波長に関係しています。重要な点は、二酸化炭素はこれらの波長の光の吸収が劣る（ただし、極端に劣るわけではない）ということです。吸収はピークの両側でちょうど良い割合で減少し、対数的なスケールを生み出します。

「スペクトルの形状は非常に重要です」と、2022年の論文の共著者であるカリフォルニア大学バークレー校の気候物理学者デビッド・ロンプス氏は述べた。「形状を変えてしまうと、対数的なスケールが得られなくなってしまうのです。」

炭素スペクトルの形状は特異だ。ほとんどのガスはこれよりはるかに狭い波長範囲を吸収する。「心の奥底にずっと疑問があった。『なぜこんな形状になっているのか』と。でも、はっきりとは分からなかったんです」とロンプス氏は言う。

結果的な揺れ

ワーズワースと共著者のジェイコブ・シーリー、キース・シャインは、その答えを見つけるために量子力学に目を向けた。

光は光子と呼ばれるエネルギーの塊で構成されています。CO2のような分子が_光子を吸収できるのは、その塊が分子を異なる量子力学的状態へと変化させるのにちょうど適切な量のエネルギーを持っている場合のみです。

二酸化炭素は通常、「基底状態」にあります。基底状態では、3つの原子が炭素原子を中心に一列に並び、他の原子から等距離を保っています。また、この分子は「励起状態」も持ち、この状態では原子は波打ったり揺れ動いたりします。

15ミクロンの光子には、炭素原子を中心点の周りをフラフープのような運動で渦巻かせるのに必要なエネルギーが正確に含まれています。気候科学者は長年、このフラフープ状態が温室効果の原因であると主張してきましたが、オングストロームが予測したように、この効果にはあまりにも正確な量のエネルギーが必要であることが、ワーズワース氏と彼の研究チームによって明らかになりました。フラフープ状態は、15ミクロンから離れた光子の吸収率が比較的緩やかに低下する現象を説明できないため、それだけでは気候変動を説明することはできません。

研究者たちは、鍵となるのは別の種類の運動だと発見した。それは、2つの酸素原子が炭素中心に向かって、あるいは炭素中心から離れて、まるで2つをつなぐバネを伸縮させるかのように繰り返し上下に揺れ動く動きだ。この動きは、地球の赤外線光子だけでは引き起こすにはエネルギーが大きすぎる。

しかし、著者らは、伸張運動のエネルギーがフラフープ運動の2倍に非常に近いため、2つの運動状態が互いに混ざり合うことを発見した。2つの運動の特別な組み合わせが存在し、フラフープ運動の正確なエネルギーよりもわずかに多い、または少ないエネルギーが必要となる。

この特異な現象は、1931年の論文でこの現象を導出した著名な物理学者エンリコ・フェルミにちなんで、フェルミ共鳴と呼ばれています。しかし、地球の気候との関連性は、シャイン氏とその学生が昨年発表した論文で初めて示され、今春発表された論文が初めてその真価を明らかにしました。

「この方程式の項を書き出し、すべてがうまく噛み合った瞬間、本当に信じられない気持ちでした」とワーズワースは語った。「これは、量子力学がいかにして全体像と直接結びついているかを、ようやく示してくれた結果です。」

ある意味、この計算はどんなコンピューターモデルよりも気候変動を理解するのに役立つと彼は述べた。「あらゆるものがどこから来るのかを基本原理から示すことができる分野において、そう言えることは根本的に重要なことのように思えます」

インペリアル・カレッジ・ロンドンの大気物理学者で名誉教授のジョアンナ・ヘイ氏も同意見で、この論文は「基本的な量子力学の概念と確立された物理学に基づいている」ことを示すことで、気候変動の主張に修辞的な力を与えていると述べた。

_{今年1月、NOAAの地球監視研究所は、大気中のCO2}濃度が産業革命以前の280ppmから2023年時点で過去最高の419.3ppmに上昇し、これまでに推定1℃の温暖化を引き起こしていると報告した。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。