CERN の CLOUD 国際プロジェクトの一環として、PSI の研究者らは、植物から放出されるガス状炭化水素、いわゆるセスキテルペンが雲形成の主な要因であることを発見しました。この発見は気候モデルの不確実性を軽減し、より正確な予測に役立つ可能性がある。この研究は現在、Science Advances誌に掲載されている。
気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の最新の予測によると、2100年までに地球の気候は産業革命以前のレベルより1.5～4.4℃温暖化すると予想されています。この数字は、人為起源の温室効果ガス排出が将来どのように発展するかを説明するさまざまな仮説シナリオに基づいています。したがって、最良のシナリオでは、排出量を迅速かつ完全に制御できれば、パリ協定で定められた摂氏 1.5 度の目標を達成することができます。最悪のシナリオでは、この目標を大幅に超えることになります。
ただし、この予測にはある程度の不確実性もあります。たとえば、最悪のシナリオでは、排出量が急激に増加し続ける場合、気温上昇は摂氏 4.4 度ではなく、最低で 3.3 ℃、または最高で 5.7 ℃になる可能性があります。
温室効果ガス排出量の特定の進展が気温の変化をどのように引き起こすかを予測する際のこうした不確実性は、科学者たちが大気中で起こるすべてのプロセス、つまり大気中のさまざまなガスとエアロゾルの間の相互作用をまだ完全に理解していないという事実に主に起因しています。ジュネーブにあるCERN核研究センターの大気研究者らは、これらのプロセスを確立することを目的とした国際共同プロジェクト、CLOUD（屋外に残る宇宙飛沫）プロジェクトを立ち上げた。 PSI は CLOUD テスト チャンバーの構築を支援し、プロジェクトの運営委員会のメンバーでもあります。
雲形成の謎
特に、将来どのように雲が形成されるかは、ほとんどが謎のままです。しかし、より多くの雲がより多くの太陽放射を反射し、地表を冷却するため、これは気候を予測する上で重要な要素です。
雲を構成する水滴を形成するには、水蒸気が凝結できる固体または液体の粒子である凝結核が必要です。これらの粒子は、自然や人間の活動によって生成され、空気中に放出される直径 0.1 ～ 10 ミクロンの小さな固体または液体粒子であるさまざまなエアロゾルによって提供されます。これらの粒子には、海の塩、砂漠の砂、産業や交通からの汚染物質、または火災からの煙の粒子が含まれます。
しかし、実際には、すべての凝縮核の約半分は、空気中のさまざまな気体分子が結合して固体を形成するときに形成され、専門家はこの現象を「核形成」または「新粒子形成」(NPF)と呼んでいます。最初はこれらの粒子は非常に小さく、サイズはわずか数ナノメートルですが、時間の経過とともにガス分子の凝縮によって成長し、凝縮核になります。
匂いを嗅ぐことができる温室効果ガス
粒子形成の原因となる主な人為起源のガスは、主に石炭や石油の燃焼から生じる硫酸の形の二酸化硫黄です。これらの天然ガスの中で最も重要なものは、いわゆるイソオレフィン、モノテルペン、セスキテルペンです。これらは主に植物から放出される炭化水素です。これらはエッセンシャルオイルの主成分であり、草を刈ったり森を散歩したりするときに香ります。これらの物質が酸化すると、つまりオゾンと反応すると、空気中にエアロゾルが形成されます。
PSIの大気科学者ルブナ・ダダ氏は、「空気中の二酸化硫黄濃度は近年大幅に低下しており、より厳格な環境法規制により今後も低下し続けることに留意すべきである。一方、テルペン濃度は植物の成長により増加している」と述べた。予測とは、どの要因が支配的となり、多かれ少なかれ雲の形成を引き起こすかということです。この質問に答えるには、これらの各物質が新しい粒子の形成にどのように寄与するかを知る必要があります。硫酸についてはすでに多くのことが知られており、現場での測定や PSI が参加する CLOUD などの室内実験のおかげで、モノテルペンとイソプレンの役割がよりよく理解されるようになりました。
セスキテルペンはまれですが強力です
「これまでのところ、セスキテルペンは研究の焦点になっていません。」ダダ氏は、「これは、測定が難しいためです。第一に、それらはオゾンと非常に早く反応するため、第二に、他の物質よりも出現頻度がはるかに低いためです。」
毎年約4億6,500万トンのイソプレンと9,100万トンのモノテルペンが地球上に放出されていますが、セスキテルペンはわずか2,400万トンです。それにもかかわらず、これらの化合物は雲の形成において重要な役割を果たします。測定によれば、同じ濃度の他の 2 つの有機物質よりも 10 倍多くの粒子を形成します。
これを決定するために、ダダと彼女の共同研究者は、欧州原子核研究センター (CERN) にあるユニークな CLOUD 研究室を使用しました。テストチャンバーは、さまざまな大気条件をシミュレートする密閉された部屋です。この恒温室の容積は約 30 立方メートルで、この種のものとしては世界で最も純粋です。純度が非常に高いため、大気中に記録された非常に低い濃度でもセスキテルペンを研究できます。
まさにそれがこの研究の目的でした。この研究は、大気中での生物学的粒子の形成をシミュレートすることを目的としていました。より具体的には、研究者らは人為的な二酸化硫黄の排出がなかった産業革命以前の時代の研究に興味を持っていた。これにより、人間活動の影響をより明確に判断し、将来を予測できるようになります。しかし、人為的な二酸化硫黄の排出は、長い間、自然界のいたるところに存在していました。これが、霧箱のみが実現可能であるもう 1 つの理由です。制御された条件下で産業化以前の混合物を生成することもできます。
持続的な粒子がより多くの雲をもたらす
実験では、純粋な空気中でイソプレン、モノテルペン、セスキテルペンの天然混合物が酸化されると、いわゆるULVOC（超低濃度）と呼ばれる有機化合物が大量に生成されることがわかりました。揮発性有機化合物）。名前が示すように、これらの有機化合物は揮発性があまり高くないため、時間の経過とともにサイズが大きくなり、凝縮核となる粒子を非常に効率的に形成します。セスキテルペンの劇的な効果は、研究者らがイソペンテンとモノテルペンのみを含む懸濁液にセスキテルペンを添加したときに明らかになりました。わずか 2% を添加しただけでも、新しい粒子の形成速度が 2 倍になりました。これは、セスキテルペン分子が 15 個の炭素原子で構成されているのに対し、モノテルペンには 10 個の炭素原子しかなく、イソペンテンには 5 個の炭素原子しかないという事実によって説明できます。
一方で、この研究は、植生が天気と気候に影響を与える別の方法を明らかにしました。しかし最も重要なのは、この研究結果が、予測をより正確にするためには、イソペンテンやモノテルペンと並んで、セスキテルペンを将来の気候モデルの別の要素として含めるべきであることを示唆していることだ。特に、大気中の二酸化硫黄濃度の減少と気候ストレスによる生物排出量の同時増加を考慮すると、これは、後者が将来の気候に与える影響が増大する可能性が高いことを意味します。ただし、雲形成予測をさらに改善するには追加の研究が必要です。大気化学研究所はすでにこれらの研究を計画しています。
大気分子プロセス研究グループの責任者であるイマド・エル・ハダッド氏は、「次に、私たちとCLOUDパートナーは、自然大気中に二酸化硫黄、アンモニア、その他の人為的有機化合物などの人為的ガスがますます混入していた工業化の過程で、正確に何が起こったのかを調査したいと考えています。」