二酸化炭素（CO₂）の増加は温暖化を進行させる

現在の地球は大気中に水蒸気やCO₂などの温室効果ガスが存在することによって温暖な環境が保たれています（ココが知りたい地球温暖化「二酸化炭素の増加が温暖化を招く証拠」参照）。大気中に温室効果ガスがない場合、地表気温はおよそマイナス19°Cになりますが、温室効果ガスの存在によって地表気温はおよそ15°Cになっています。つまり現在の大気にはおよそ34°Cの温室効果があるのです。

現在の大気中の水蒸気やCO₂がもつ温室効果の強さを示したのが図1です。水蒸気は広い波長域で赤外線を吸収するため、温室効果としてもっとも大きな寄与（48%）をもちます。しかし水蒸気はすべての波長の赤外線を吸収するわけではなく、15µm付近の赤外線はCO₂によってよく吸収されます。このため全温室効果に対するCO₂による寄与は21%程度になります。

図1地表（青線）および大気上端（赤線）における赤外線スペクトル（単位波長・面積・時間あたりの上向きのエネルギー流出量）。青線が地表から逃げる熱エネルギー、赤線が大気上端から逃げる熱エネルギーを示す。また、青線と赤線の差が、大気による赤外線の吸収、すなわち温室効果の強度を表す。図中のH₂O、CO₂、O₃は、それらの分子による赤外線吸収が起こる波長領域を示す。右枠の数字は、晴天時（雲がない場合）での寄与。

Kiehl and Trenberth (1997) Earth’s Annual Global Mean Energy Budget. Bulletin of the American Meteorological Society, 78, 197-208. (c)Copyright 2007 American Meteorological Society (AMS)

このようにCO₂は大きな温室効果をもつため、その濃度が増加すると気温は上昇すると考えられます。大気中のCO₂濃度は、人間活動の影響によって年々増加しています。仮に現在の大気状態のまま、大気中のCO₂濃度だけが2倍になった場合の温室効果の寄与だけを考えると、地表気温は 1.2 ℃程度上昇します［参考文献 1］（注1）。

水蒸気量の増加が温暖化をさらに増幅

実際に大気中のCO₂濃度が増えた場合の地表気温上昇は、さらに大きくなると考えられます。これは気温上昇とともに、自然界のしくみによって大気中の水蒸気量が増加するためです（図2）。

図2CO₂の増加による温暖化と、それに伴う大気中の水蒸気量増加がもたらす効果

大気中に含まれうる水蒸気量は「飽和水蒸気量」と呼ばれ、気温によって決まっています。気温が高いほど飽和水蒸気量は大きくなります。飽和水蒸気量以上の水蒸気が大気中に存在すると基本的には凝結が起こりますので、それ以上の水蒸気は存在できません。飽和水蒸気量に対する大気中の水蒸気量の割合が、「相対湿度」です（温湿度計で表示される「湿度」と同じです）。現実の大気中では、あるところでは水蒸気が飽和し（雲が形成され）、あるところでは乾燥しており、平均的な相対湿度は5割程度になっています。地球上に含まれうる水蒸気量の大きさを巨大なプールに例えると、そのプールには5割程度の深さまで水（水蒸気）がたまっていることになります。ここで、プールそのものの深さは、気温、すなわち飽和水蒸気量で決まっています。

ではCO₂などの温室効果ガスの増加による気温上昇によって、大気中の水蒸気量はどのように変化するのでしょうか。これまでの人工衛星観測によって、大気中に存在する水蒸気の全量が推定されています [2]。それによると、過去の気温上昇に伴い、大気中に存在する水蒸気全量は、増加している可能性が高いとされています。ただし、推定値の不確実性が大きいことから、大気水蒸気量全量の増加率に関しては、確信を持った値が得られていません。気候モデルによる過去の再現実験や将来予測実験でも、大気温度の上昇に伴い、飽和水蒸気量が増加することで、大気中の水蒸気量が増加する結果が得られています。 

水蒸気量増加は自然のしくみによって決まる

以上のように、CO₂濃度の増加によって気温上昇が起こると、大気中の水蒸気量が増加すると考えられます。気候モデルの予測によるとこの水蒸気量の増加によって、大気中のCO₂濃度が倍増したときの気温上昇は全体で少なくとも2.8 ℃、つまり水蒸気量の増加を考えなかった場合の 2.3 倍程度になります [1]。このように何らかの原因によって（例：CO₂濃度の増加）、大気や地表の状態が変わり（例：水蒸気量の増加）、その変化がさらなる気候変化をもたらす過程を一般に「気候フィードバック」と呼びます（注2）。種々の気候フィードバックを同時に考慮した場合、大気CO₂濃度の倍増による気温上昇は2.5 ℃から 4.0 ℃の範囲（最良推定値は3 ℃）である可能性が高いとされています [1]。つまり、気候フィードバックによって温暖化が増幅されそうだということです。なお、CO₂濃度を倍増させたときの気温の上昇を「気候感度」と呼んでいます

大事なことは、大気状態を変化させる最初のきっかけである、CO₂濃度増加は人間活動が原因である一方で、これによる気温上昇を増幅するしくみは自然の都合で決まってしまう、ということです。たとえば過去20年の水蒸気量の増加は、人間が排出した水蒸気量では説明できません。人間活動による水蒸気排出としては、灌漑や発電所での冷却による水利用などがありますが、これらの活動による大気中の水蒸気量増加は、観測された水蒸気量増加と比べると無視できる大きさだと、報告されています [3]。このことは、過去の水蒸気量増加が自然のしくみによってもたらされたことを意味します（注3）。このような自然界の「温暖化増幅機能」をできるだけ働かせないためには、われわれがCO₂排出を抑えるしか方法はないと言えます。