章 環 境 問 題 と 化

章 環 境 問 題 と 化

この章では，改めて環境問題を僻献し，全体像を把握すると共に，個別の 問題における化学的な側面を解説する.化学が，問題の原因，発生機構に深 く関わっている例もあるし，また，その解決に化学，化学技術が貢献した例 や貢献できる場合も多い.

‑ 重 量 4 . 1 現代の環境問題一概要

1 9 9 0 年代はじめの環境白書は. 公害別の記述になっていて，公害として大 気，水質，土嬢 ・地盤，騒音 ・振動，悪臭，生物汚染，廃棄物があげられている.

この中には，悪臭， 騒音， 地盤のように解消されつつある問題がある 一方で，

土壊汚染や廃棄物のように拡大している問題もある.また ，このほかに地球 規模で新しく起こった環境問題や，経済・社会と深い関わりが認識された例 もある.現状を 表 4 . 1にまとめて示す.地球環境問題としては， 地球温暖化，

オゾン層破壊，酸性雨，熱帯林減少，砂漠化， 海洋汚染，野生生物種の減少，汚 染物の越境移動，貧困に起因する環境問題があげられる

警 4 . 2 地 球 温 腰 化 問 題

地球温暖化とは，対流圏，成層圏中の 二酸化炭素， メタン. CFC  ( ク ロロ フ ルオロカーボン類) .一酸化二窒素 ( N

2

0 )などの温室効果ガスの濃度が高く なり，地表の気温が上昇することをいう.地球温暖化の問題を考えるには，

『化学の指針シリーズ化学環境学~ ( 御 園 生 誠 著/裳華房)

44 

第

4

章 環 境 問 題 と 化 学

表

4.1

主な環境問題 項 目

地球温暖化

オゾン層破嬢 酸性雨

森林破壊 土地劣化 水質汚染 大気汚染

廃棄物問題 化学物質 ヒート アイランド

被害 ・ 影響

20

世紀で

0.6.C

上昇 将来の不安

生態系の被害(未確認) 森林，魚類への影響 (日本では未確認) 年間

0.3%

減少 年間

2 %

弱減少 有機物，重金属

窒素・硫黄酸化物.粒子状物質 光化学オキシダント

処理コスト ，景観，汚染 健康，生態系

火災，爆発

その他(騒音，振動，悪臭，地盤) 広義の環境問題

エネルギー ・資源供給不安，価格の上昇 食 糧

水 生物多様性 人口増加

供給不足(地域的不均衡)

供給不足(地域的不均衡) 生態系の変化

希少生物種消滅

資源，エネ ルギー不足，所得 格差

主な原因， メカニズム 人間活動によリ発生する温室効果 ガスが主因.ただし，太陽活動と の相関もあり

CFC

の使用， 地表の紫外線量僧大 火山活動，化石燃料からの SOx

伐採

過放牧，過剰農業，自然現象など 産業 ・ 農業・生活排水，管理不備 化石燃料，火山活動

大量生産 ・ 消費，管理不備 リ スク管理不備，情報不足

大都市化

( ヱネルギー消費密度大)

多くの資源が，枯渇性で可採年数 は 5 0 年程度

増産の鈍化，人口増，個人消費増 (肉食増)

人口，人間活動の増大

人間活動の増大や自然環境の変化

まず，温室効果ガスによる地球温暖化のメカニズムと ，温室効果ガスの濃度 変化，地球平均気温の変化の実態，および温室効果ガス以外の気温変動要因 の四つを把握 しておかなければならない.

まず，温暖化のメカニズムであるが，温室効果とは， 地表に吸収された主

に短波長(主に紫外線領域)の太陽エネルギーが，地表に吸収されてから長

波長の赤外線領域のエネルギーとして宇宙に向けて再放出される際，大気中

全入射太陽 エネルギー:

π

R

²

S 。

全球反射太陽エネルギー : π

R2SoA

‑ = : 1 ナ ^{4 f}

一 /  汐町~ R7ガ { 

放射エネルギー:

一 一 一 一

4π

R

²εσ

T

_S⁴

表面温度:

Ts 

地球断面積

π :

^R2

j 

図4.1

地球温暖化のメカニズム(単純化したモデル図)

の温室効果ガスに より吸収され，その吸収されたエネルギーの半分が再び地 表へ向 けて放射されて戻ってくることに よって地表が暖 まる現象である.

このことを簡単なモデルで確認しておこう.大気および地表を均質層と仮 定すると， 地表の エネルギー収支は， 図 4 . 1を参考にして，

π R

²

S

₀ 

( 1   ‑A) 

= 

4 πR

²

ε σT

_S⁴ 

( 4 . 1 )   と表せる.左辺第 1 項が太陽から地上へ入射するエネルギー( 地球断面積に 比例) .右辺が地表から逸散するエネルギーである (地球表面積に比例) .こ こで .R は地球半径.5， 。 は太陽定数と 呼ばれるもので.太陽から 地球 ( 地上 ではない)へ入射する単位断面積当たりのエネルギー .A は太陽光に対する 全球平均反射率(ア ルベ ドという .通常 0 . 3 とされる ) . ε は 地表面からの赤 外線の宇宙への逸散割合(温室効果に依存 し ，現在は 0.6 程度) . σ はステ

ファン

ー

ボルツマン定数• T _s は全地球平均地表温度.ここで，地表に供給さ れるその他のエネルギーは，太陽エネルギーの 1 . 0 0 0 分の l 程度なので無視

してい る. ( 4 . 1)式を書き換えると，

T

S4 = 

S O  ( 1   ‑ A) / 4e σ  ( 4 . 2 )  

46 

第

4

章 環 境 問 題 と 化 学

となり，これに，

e 

=  l . 0  (温室効果がなく 地表からの放出エネルギーがすべ て宇宙へ逸散する場合) ， S o =1 ， 367W m ‑

²

，  A=0.3 ， σ =  5 . 6 7  

X 

1 0 ‑

⁸ 

W  m ‑ 2  K ‑ 4 _{を代入すると ，} T

_s 

=  2 5 5  K  (= ‑ 1 8   O C) となる.現在の平均気温 2 8 8 K より 33K 低い 現実の大気は温室効果があって，前記のように ε= 0 . 6   程度なので約 15t である .ε の値が増加するとそれに応じて地表温度が上 昇することになる

各種の温室効果ガスの地球温暖化への寄与の大きさを， 二酸化炭素をl. 0

として相対的に表した係数を，その気体の地球温暖化係数というが，この値 は，大気中の寿命，赤外線吸収能を用いて 1 0 0 年間について， 二酸化炭素 l . 0 ， メタン 2 ， 1 ‑酸化二窒素 3 1 0 のように計算される. 主な温室効果ガスの濃度 変化を図 4 . 2 に示す.近年，増加の傾向にあるが，増加率 は 気体により異な る(縦軸の原点が気体により違うことに注意) .なお， ここにはあげていない が，地球温暖化係数が大きい CFC や HCFC ( ハイドロフルオロカーボン，

CFC の水素置換体)の発生は，次節で述べるように日本では近年大幅に低下 していて，地球温暖化防止に相当貢献しているはずで=あるが，京都議定書で はカウントされない ( 第 8 章コラム ( p .1 5 7 ) 参照) •

濃度と温暖化係数を考慮すると，温室効果が最大の気体は二酸化炭素であ る

t1

人為的に放出された 二酸化炭素の約半分が大気中に残存する. 二酸化 炭素として世界で年間 2 5 2 億 t ( 炭素基準， 6 9 億 t ) が人為的に排出され，京 都議定書の基準年 1 9 9 0 年に対し 1 3 %程度増加し た ( 2 0 0 3 年)

^t2. 

日本の排 出 量 は 1 2 . 8 億 t ( 2 0 0 4 年) ， 一人当たりでは約 1 0 t / 年であり，基準年 1 9 9 0 年 に対し 11%増加.他の温室効果ガスも 二酸化炭素に換算して含めた場合，

排出 量 はl3 . 8 億 t で ， 1 9 9 0 年比で約 1 0 %増加.部門 別では 産業部門 4 . 6

T 1

温 室効果の寄与度 は ， 産業革命以後の 通 算で。 C0

260

% ， メ タ ン

20%. 

CFC .  HCFC  1 4  %

. 

N

2

06 

% 

大気中の

CO2

の正味の増加量の大部分 は化石燃料の燃焼 に起因する 森林減少に よる分が

20‑25%

とする試算があ る

口 世界各国の

CO2

排 出量 京都議定書批准国

29% (EU 18.ロシア6.

日本

5).

米国

22

% . 中 国

18

% . インド

4%

( 了

E

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円 三 棋 倒

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360

ト

ー二酸化炭素 l 

340

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穏 1 ， 750  メタン

1 ， 500 

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1 ， 250

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750 

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事 当

一

酸化二 窒素

310 

290 

(D

aa )O同

Z

270  r . .  

一 」

2000 年

温室効果ガスの大気中 濃度変化(

二酸化炭素，

メタン，

一酸化二窒素)

( r 化学便覧(応用化学編

)J

(丸善，

2003)

より改変)

よ

800 

よ

600 

よ

1400 

i 

1200  250 

1000 

図 4

.

2

億 t

(全体に占める割合は

3 6

%)，運輸部門

2 . 6 億 t ( 2 0   %)，業務部門その他 そのほかにエネル

2 . 3 億 t ( 1 8  %)，家庭部門

l.

7 億 t ( 1 3  %)となっている.

ギ一転換，

工 業

プロセス

(

セメント製造など) .廃棄物からの排出がある

産

その他の 近年は漸減傾向にある

. 他方

，

業部門からの排出が最大であるが，

主要三部門は基準年に対し

2 0 ‑40% も増加している

長期的には第 2 章 図 2 . 5 ( p . 2 0 ) の変化を示している.

遠い昔の気温は，当時の気温を反映

していると思われる樹木，さんご，

海底堆

地球の平均気温は，

48 

第

4

章 環 境 問 題 と 化 学

積物，古文書などから推定される. 2.3節に述べた ように，図にある 二つの データは同じデータからの推定であるが，両者は相当違っている. 一時は，

最近有史以来の気温上昇があるとする推計値に基づいて温暖化が危倶された が，過去にも(西暦 1 0 0 0 年ごろ)かなり高温の時代があったとする説がその 後提出され支持を集めている.なお，間氷期に約 1 万年周期で数℃の温度 変動が記録されている. 化石燃料の使用に より 二酸化炭素の濃度が上昇 して いることと，その濃度上昇が気温上昇をもたらすことは確実で、ある.また，

気温が上昇 し つつあることも確認されている. し か し そ の 程 度 は ま だ小 さ い ( 2 0 世紀において約 0 . 6

⁰

C .2 1 世紀に入ってわずかに加速 し たとの指摘 がある) .最新の国連 I PCC (気候変動に関する政府間パネル)の予想による と ( 2 0 0 7 年 2 月).

21世紀末に1.1

~6 .4 0C の気温上昇がある(温度の幅は，

推計値の上下限差 と六つの未来シナ リオの違いによる.図 1 1 . 1 参照) • 気候の変化は多くの要因に支配されるが，この温度上昇が，主と し て二酸 化炭素の濃度上昇による可能性はかなり高いとされる.地球温暖化の原因が 何であれ， 二酸化炭素濃度の増加は 化石エネルギ ーの大量使用によるもので，

その低減は枯渇性の化石燃料の節約につながる. したが って，エネルギ一利 用 ・ 物質転換の効率化，代替物の供給などを通して， 化学技術が貢献する場 面は多いのである(第 8 章参照) •

‑吾 4 . 3 大 気 保 全

4 . 3 . 1   オゾン層破壊

オゾン層とは，成層圏内の地上から 2 5

~

4 0 km に存在するオゾン (0

3)

の

濃度が比較的高い層の呼び名である.濃度は高いといっても数

ppm

であ

る.オゾン濃度が通常 より低い領域をオゾンホ ールと呼ぶ.オゾンホールの

存在は 1 9 8 0 年ごろから観測され始めた紫外線の吸収能が高いオゾンの濃

度が減少すると，太陽から地上への紫外線通過量が増加し地上の生物に悪影