放射性炭素が明かす気候変動

はじめに

地球温暖化にともない、近頃、気候が大きく変化しているように思われます。この温暖化は、化石燃料の燃焼にともない大気中の温室効果ガス（二酸化炭素：CO₂ ／メタン:CH₄等）の濃度上昇によるものと考えられています。この化石燃料から排出される CO₂の影響評価には、放射性炭素(¹⁴C)が役立ちます。化石燃料に含まれる炭素に¹⁴C は含まれてなく、それに対して現在生きている生物内の炭素には¹⁴C がほぼ一定量含まれているのです。木の年輪を利用して過去の¹⁴Cの割合を現在のものと比較すると、¹⁴Cの濃度は低下してきており、産業革命以降の化石燃料の影響が増加していることが分かりました。

地球の温暖化

過去の地球の気温の変化を見てみると、氷河期と呼ばれる非常に気温が低かった期間と、現代より気温が高かった期間があります。現在の地球温暖化は何が問題なのでしょうか。
このことを理解するために、地球の気温がどのような過程で決まっているかを示し、人為的な化石燃料の燃焼によるCO₂発生量増加が原因で、温暖化が進んでいることを説明します。

〈1-1 地球の気温〉

地球の平均気温は約14℃です。この気温は、太陽からの熱輻射量と大気中の温室効果ガス（CO₂）の濃度でほとんど説明できます。地球に大気がなく、太陽からの熱輻射を全て吸収した場合の気温は-18 ℃で、今の平均気温より低くなります。つまり、大気中の温室効果ガスが、太陽光が地表を暖めて発生する赤外線を吸収することによって、現在の気温が保たれているのです。（図1）。したがって、現在の気温を維持するために温室効果ガスは必要で、問題になっているのは、人間の活動により大気中の温暖化効果ガスであるCO₂の濃度が急激に増加していることだと分かります。
この人間活動とは、化石燃料の燃焼のことであり、次の章で、なぜ化石燃料の燃焼が問題かを説明します。

〈1-2 化石燃料〉

化石燃料は、主に石油・石炭のことであり、これらは古代（数千万年-数億年前）の植物やプランクトンが堆積したものが変質し、時間が経過して固体または液体の炭素を含んだ化合物に変質して地中に埋まっているものです。これらのものを燃焼するとCO₂が発生します。人類のエネルギー生産の大部分は石油や石炭に依存しているため、人類の活動が大きくなると当然化石燃料燃焼によるCO₂の発生量も増え、大気中のCO₂の濃度も増加します。しかし、環境には物質循環という現象とCO₂を吸収するものが存在するため、CO₂の濃度は一定に保たれているのです。CO₂を吸収するものとしては、海洋・植物・岩石があり、海洋によるCO₂の吸収（溶け込み）が大きな役割を果たしています。もちろん植物もCO₂を吸収して、酸素を放出する大きな役割を果たしています。これらの吸収量より大きな発生量があると、CO₂の濃度は増加していきます。物質循環という観点で炭素の循環を見てみると、化石燃料の燃焼がなく、植物を燃やして燃料とした場合、環境中の炭素の量は一定に保たれています。つまり、物質循環という立場で考えると、環境中の炭素量（CO₂）がほぼ一定に保たれている状態に、人間のエネルギー消費のために古代に閉じ込められていた炭素つまり化石燃料の炭素（CO₂）を加えてしまうことに大きな問題があり、環境を大きく変化させてしまう可能性があるのです。

放射性炭素(¹⁴C)

「化石燃料の気候変動とのかかわり」を理解するためには、化石燃料由来の炭素成分の指標として¹⁴Cは非常に有効な指標となります。なぜなら、化石燃料由来の炭素に¹⁴Cは含有率（0%）で含まれていない一方で、現在生きている生物由来の炭素には¹⁴Cが一定量ふくまれているからです。

〈2-1 炭素の同位元素〉

¹⁴Cがどのような炭素であるのか、放射性とはどのようなものか、元素記号Cの左上の数字「14」について説明していきます。
¹⁴CのCは炭素の元素記号です。元素は、原子核とそれを囲んで存在する電子で構成されています。原子核は、陽子と中性子という素粒子で構成されていて、陽子は+の電荷をもっています。元素の種類は、陽子の数で決まります。たとえば、水素H（陽子数1）、ヘリウムHe（陽子数 2）、リチウムLi（陽子数 3）、ベリリウムBe（陽子数 4）、ホウ素B（陽子数 5）、炭素C（陽子数 6）、窒素N（陽子数 7）、酸素O（陽子数 8）のように、陽子数に対する中性子数により元素の性質、重さや放射線を出すかどうかが決まります。
ある陽子数（同じ元素）に対する中性子数にはいくつかの可能性があります。したがって、同じ陽子数（元素）に対して異なった中性子数をとることになり、重さの異なる原子核が存在できることになります。この同じ元素（同じ陽子数）で中性子数（重さ）の異なる元素同士を同位元素といいます。ある陽子数に対して中性子数はいくつかの可能性があると述べましたが、どのような陽子数と中性子数の原子核でも必ず安定するという訳ではありません。無理やり原子核に詰め込んでいる場合があるからです。このような場合には、安定した原子核になるために、放射線を出してより安定した原子核になっていきます。
以上の同位元素の説明を炭素に当てはめてみましょう。炭素の陽子数は6です。これに対して中性子数が6（¹²C）、7（¹³C）、8（¹⁴C）の炭素の同位元素が自然界に存在していると知られています（図2）。この炭素の同位元素の中で、安定な（放射線を出さない）同位元素は¹²Cと¹³Cで、¹⁴Cは放射線を出して¹⁴Nに変わってしまいます。
では、前章までに登場してきた¹⁴Cはどうして自然界に存在するのでしょうか。それは、¹⁴Cは宇宙線によって大気中で定常的に生成され、天然放射性元素として存在するからです。ここでは、¹⁴Cは放射線を出す炭素であり、自然界に存在することを覚えておいてください。

〈2-2 自然界の¹⁴Cの発見〉

放射線を出して量を減らしていく放射性同位元素でない炭素は¹²Cと¹³Cしかないので、当然自然界には¹²Cと¹³Cしかないと、1940年ごろまでは考えられていました。しかし、Libbyにより自然界に¹⁴Cが存在することが発見されたのです。
1940年以降、放射線を測る技術は進歩し、宇宙から宇宙線と呼ばれる放射線も飛来して来ていることが発見されました。そして、この宇宙線が大気中の窒素（N）と衝突することにより¹⁴Cが生成され、自然界に¹⁴Cが存在することが予想されたのです。この予想の元、Libbyにより自然界に¹⁴Cが存在することが発見されました（1945年）。

〈2-3 ¹⁴Cの崩壊様式と存在量〉

¹⁴Cはベータ崩壊し（安定な¹⁴Nにベータ線を出して変わり）、半減期（放射能が半分になる期間）は5700年です。放出されるベータ線の最大エネルギーは120keVで、ガンマ線は放出しません。自然界の炭素には、安定炭素（¹²C）1個に対して10^-12含まれています。この割合だと、現在の自然界の炭素1gの放射能は約0.2ベクレルになります。¹⁴Cの放射能の半減期は5700年、つまり¹⁴Cが生成されて5700年経過すると、¹⁴Cの放射能は半分になります。そして、57000年で約1000分の1になるのです。石炭、石油は、古代（数千万年～数億年前）の植物、プランクトンの死骸なので、¹⁴Cは含まれません。そのため、化石燃料が燃焼して発生するCO₂には¹⁴Cが含まれておらず、このCO₂が環境を循環することから、化石燃料の影響によって環境中の¹⁴Cの濃度（¹⁴C/¹²C:¹²Cに対する¹⁴Cの割合）が低下することとなります（図3）。

気候変動と¹⁴C

まず、1820～1954年の年輪中の¹⁴Cの濃度の変化のグラフ（図4）を示します。データの試料は、米国オリンピック国立公園内のアメリカトガサワという木から採取したもので、年輪を利用して1820～1954年のほぼ毎年の放射性炭素¹⁴Cの濃度を推定しています。¹⁴Cの濃度の値（Δ¹⁴C）は、基準となる試料との¹⁴Cの放射能との比で示し、1950年を-25‰としました。‰とは1000分の1（0.1%）のことです。¹⁴Cの放射能は半減期5700年で減衰していきますが、この補正もしています。
このグラフは、年輪の¹⁴Cの濃度を示しており、過去からの大気中¹⁴Cの濃度の推移が推定できます。米国の1地点のデータではありますが、CO₂の化学的安定性より地球大気の平均的な濃度を示していると考えて問題ありません。1820～1900年は緩やかな減少傾向ですが、産業革命が始まってから¹⁴Cの濃度が低下しているのが見られます。1900年以降は急激に減少し、化石燃料の使用が急激に増加していることがうかがえます。最後のデータの1954年で少し増加しているのは、大気圏内の核実験の影響と思われます。
このグラフのデータより、最近のCO₂の増加は化石燃料燃焼からのCO₂によるものと、放射性炭素¹⁴Cの濃度低下（つまり¹⁴Cを含まない化石燃料燃焼のCO₂の増加）であると示されました。一方で、約13000年前に¹⁴Cの濃度上昇と気温の低下の記録があり、人間活動によらない¹⁴C増加と気温変化もあることがわかっています。
近年のCO₂の増加とそれにともなう気温上昇は、気候変動に関する政府間パネル(Intergovermental Panel on Climate Change:IPCC)が認めるように化石燃料消費によるもので、われわれの取り組む課題は、「どのようにして化石燃料の燃焼をなくしていくか」だといえるでしょう。