二酸化炭素と気温の計算

19世紀の終わり、ヨーロッパの学者たちを悩ませていた謎の一つが、氷河期だった。北欧や北米の地形には、かつて厚い氷に覆われた跡がはっきり残っている。地球はなぜ、いまよりずっと寒い時代を何度も経てきたのか。太陽の明るさが変わったのか、地球の軌道が変わったのか。答えは出ていなかった。

空気が熱を閉じ込めること自体は、すでに知られていた。1820年代にフランスのフーリエが、大気が無ければ地球はもっと冷たいはずだと論じ、1850年代末にはイギリスのティンダルが、水蒸気や二酸化炭素が赤外線（熱の光）を吸い込むことを実験で示していた。だが、その量が変わったとき気温がどれだけ動くのかを、数で示した人はいなかった。

ストックホルムの化学者スヴァンテ・アレニウスは、物質が水に溶けて電気を帯びた粒に分かれるという研究で知られた人で、のちに1903年のノーベル化学賞を受ける（ノーベル賞の始まり）。彼はこの氷河期の問いに取り組み、アメリカの天文学者ラングレーが測った、月から届く赤外線が大気を通る間にどれだけ弱まるかという記録を手がかりに、二酸化炭素と水蒸気がどれだけ熱を吸うかを見積もった。緯度ごと、季節ごとに地球を区切り、二酸化炭素の量をいくつかの段階で変えて、気温の変化を計算していく。計算機の無い時代、これを手で一年ほどかけてやり遂げた。私生活では結婚が壊れかけていた時期で、その苦しさを紛らわすために打ち込んだとも伝えられる。

1896年、アレニウスはその結果を発表した。空気中の二酸化炭素が今の半分になれば、気温はおよそ4〜5度下がり、氷河期を説明できるほど寒くなる。逆に倍になれば、5〜6度ほど上がる。気温が上がると空気が抱える水蒸気が増え、それがさらに熱を閉じ込めるという働きも、すでに計算に入っていた。

アレニウスは1859年、ウプサラの近くに生まれた。1884年に出した博士論文は、塩が水に溶けると電気を帯びた粒に分かれるという大胆な説で、審査ではかろうじて合格という低い評価しか得られなかった。その説がのちに化学の土台となり、ノーベル賞につながる。周りに理解されない考えを、しぶとく押し通す人だった。気候の計算も、その気質の上に成り立っている。

同僚の地質学者ヘグボムは、火山や岩石の風化とともに、人間が燃やす石炭が空気に二酸化炭素を足していることに注目していた。アレニウスもこれを取り上げ、のちの一般向けの著作では、石炭を燃やし続ければ二酸化炭素は増え、気温は上がるだろうと書いた。ただし、彼はそれを恐れなかった。当時の燃やし方なら倍になるには何千年もかかると見積もり、しかも寒い国にとって暖かくなるのは、作物がよく実る良いことだと考えていた。北欧の人らしい見方だった。

アレニウスの計算は、当時はあまり支持されなかった。1900年には同じスウェーデンの物理学者オングストロームが、二酸化炭素を詰めた管に赤外線を通す実験から、吸収はすでに飽和していて量が増えても効き目は小さいと論じた。この反論が受け入れられ、この問題は半世紀ほど脇に置かれる。1950年代の末にハワイで空気中の二酸化炭素の増え方が実際に測られ（キーリング曲線）、計算機を使った気候の模型が作られるようになって、ようやく彼の問いは中心に戻ってきた。いま見積もられている、二酸化炭素が倍になったときの気温の上がり幅はおよそ2.5〜4度で、手計算の答えは大きくは外れていない。

百年あまり後、アレニウスが寒い国の恵みと考えた温暖化は、世界の最大の問題の一つになった。IPCCの設立、京都議定書、パリ協定と続く取り組みの出発点には、氷河期の謎を解こうとした一人の化学者の、一年がかりの手計算がある。