《人類による地球の全面的な改造》シリーズを見た後、多くの人が将来の環境に非常に心配するかもしれません。そこで今回は、緊急対策について紹介します。これは現在世界中で実施されている排出削減や脱炭素化とは全く異なるものです。

緊急対策の2種類

この緊急対策は「地球工学」と呼ばれ、具体的な操作は2種類に分かれます。

1つの方法は「炭素地球工学」と呼ばれ、様々な方法で炭素排出を削減することを目的としています。現在世界中で行われている脱炭素行動はこの工学の一部で、植林、陸地の風化促進、海洋施肥、二酸化炭素捕捉などが含まれます。このような対策は効果が出るのに時間がかかりますが、炭素過剰の問題を根本的に解決できます。

もう1つの方法は「太陽放射管理」(太陽地球工学)と呼ばれ、様々な方法で直接太陽放射を減らすことを目的としています。建築物の反射塗料、雲層の増白、成層圏へのエアロゾル散布、宇宙工学などが含まれます。このような対策は効果が出るのが早く、すぐに温度が下がりますが、炭素過剰の問題は解決できず、さらに副作用も引き起こすため、私は「強力な一時しのぎの薬」と呼んでいます。

緊急対策実施の必要性

排出削減の効果が現れるまでには、100年から200年かかるかもしれません。しかし、最近10年間の地球温暖化の進行は驚くべきものがあり、今後10年間でさらに深刻化すると考えられ、人類はもう待てません。そのため、私は今後10~20年以内に強力な一時しのぎの薬が使用されると予想しています。そこで今回の《科学参考》では、地球工学、特に第2の方法である太陽放射管理について詳しく説明します。

「地球工学」という言葉は、1977年にイタリアの物理学者セサーレ・マルケッティ(Cesare Marchetti)が提唱しました。彼は地球温暖化問題について予言者のようでした。誰もこの問題に注目していない時代に、化石燃料に代わる水素の使用や二酸化炭素排出削減の考えを最初に提案し、さらに化石燃料の燃焼で生じる二酸化炭素を深海の高塩分流に注入して長期保存するアイデアも出しました。これらのアイデアは、40年以上経った今日、各国が提案している炭素回収の一つの案と驚くほど似ています。

地球温暖化問題に注目したのはさらに前の、旧ソ連の気候学者ミハイル・ブジコ(Mikhail Budyko)でした。彼は1950年代から太陽放射強度の変化が地球の氷床に与える影響を研究していました。また、世界の気象が正のフィードバックで制御不能な温度上昇に陥る可能性を最初に指摘しました。そのため、1974年にはすでに、成層圏に大量の硫酸塩エアロゾルを注入して冷却する方法を提案していました。これにより、地球に届く太陽光を直接宇宙に反射させ、一部の太陽光を減らすことで地球を冷却できます。

成層圏とは、旅客機が飛行する領域のことです。成層圏の下端は地上から約8kmの高さにあり、ここでは空気が希薄で、空気の流れも地表に平行な角度で流れます。一度エアロゾル粒子が成層圏に浮遊すると、2、3年は落下しません。

成層圏の下は対流圏です。ここでは空気が上下に対流するため、エアロゾルを散布しても雨に変わって落下したり、数日で徐々に落下してしまいます。

ただし、地球温暖化問題が本格的に注目されるようになったのは1980年代後半からで、先ほど紹介した2人の科学者も、第1回政府間気候変動専門委員会の専門家になりました。

太陽放射を低減する方法はたくさんあり、低い所から順に説明します。

建築物の白色塗装

最も直接的な方法は、建築物を全て白く塗ることです。

最も安価な案は、炭酸カルシウムを配合した白い塗料を使うことです。この塗料の太陽光反射率は約85%で、濃い色の材料の20~30%に比べてはるかに高くなります。重要なのは、炭酸カルシウムは大気中の二酸化炭素を主動的に回収して作られるため、空気中の二酸化炭素を捕捉し、粒子状にした上で建築物に塗布して太陽光を反射し続けることになり、効果が重複するということです。

また、パデュー大学の材料科学者が硫酸バリウム化合物を使って、反射率98.1%の白い塗料を開発しています。夜間は周囲より10.5℃低く、正午の直射日光でも周囲より4.4℃低くなり、1平方メートルあたり107ワットの冷却効果があります。

この効果は非常に大きいと言えます。例えば、北京の夏の正午の強い日光が雲を通して屋根に当たると、1平方メートルあたり600ワット程度の熱量があります。今回の塗料を使えば、100ワット以上を直接削減でき、一部の光エネルギーを反射させるだけでなく、エアコンの使用量も減らせるため、さらに二酸化炭素排出も削減できます。

建築物塗装の限界

しかし、この案の問題は、果たしてどれだけの人が建築物の全ての面を真っ白に塗り替えるかということです。さらに言えば、仮に全ての建築物が白く塗られたとしても、地球表面の建築物で覆われている面積は5万分の1にすぎません。つまり、この案では家庭の電力使用量は減らせても、地球全体の温暖化対策にはなりません。

雲を増やす方法

次に高度を上げ、地上数百メートルから数千メートルの高さで、空に雲をつくり、その明るさを増す方法があります。

この方法は海面上空に塩水を噴霧するというものです。塩水には海水をそのまま使えます。噴霧によって霧状にし、海洋上空の凝結核と一緒に多くの雲をつくります。この雲は大量の太陽光を反射し、地球に届くエネルギーを減らします。海洋上で作業するため、人間活動への影響はありません。

方法としては、高出力の噴射器から空中に塩水を噴射したり、無人機から高度1000~2000mの上空に撒いたりします。しかし、本当に冷却効果を得るには、少なくとも1万台の噴射器が必要で、海洋表面の50%以上を覆い、年間50万~70万トンの塩を消費する必要があります。ただし、できた明るい雲は対流圏にあるため、数日で維持できなくなります。この工学を開始すれば、効果を維持するために常に塩霧を噴射し続ける必要があります。

成層圏へのエアロゾル散布

次に高度を上げ、成層圏に行くと、セサーレ・マルケッティが提案したエアロゾル散布の案になります。

エアロゾルは対流圏よりも成層圏の方が長持ちし、一度散布すれば2、3年は問題なく維持できます。ただし、この案は実施されたことがなく、小規模では効果が測れず、大規模では誰も承認しませんでした。しかし、自然は私たちに無料で実験をしてくれました。それが大規模な火山噴火です。

例えば、1991年のフィリピンのピナツボ火山の噴火は20世紀で2番目に大きな火山噴火で、数日のうちに約2000万トンの二酸化硫黄が成層圏に噴出し、すぐに世界中に拡散しました。この噴火により、世界平均気温が0.6℃下がり、2年間その状態が続きました。

効果はそれなりにあったようですが、実はオゾン層も同時に大きな被害を受けました。さらに、二酸化硫黄はやがて降下し、雨水のpHを下げて酸性雨になります。そのため、数千万トンのエアロゾルを成層圏に注入する案は、今後も承認される可能性は低いでしょう。

宇宙ミラー計画とその課題

さらに高度を上げると、第1ラグランジュ点(L1点)に行きます。地球と太陽によって形成される力学系には5つの点があり、そのうちの1つがL1点で、ここに物体を置けば合力がゼロになり、地球と太陽の相対的な位置関係を維持できます。ここに鏡を置けば、地球への太陽光を効果的に減らせます。

1989年、イギリスの技術者が直径2000km、厚さ10μmのガラス製の巨大な日除けを提案しました。しかし、総重量は1億トンにもなり、地球から打ち上げることはできません。そこで、月で製造し、総費用は10兆ドルとの試算ではい、続けて訳します。

この案は現実的ではありませんでした。月に行った人間はこれまで10数人しかいないので、短期間で1億トンものものを月で製造することは不可能でしょう。

しかし、宇宙に鏡を設置する技術的なアプローチは、ソ連の「旗計画」(Znamya)で試みられました。もちろん、この計画の目的は太陽光を遮るのではなく、夜間に一部の太陽光を地球に反射させて人工の月を作ることでした。位置と角度を少し調整すれば、太陽放射管理にもなります。

「旗計画」には2回の試みがありました。1回目は、ミール宇宙ステーション付近で直径20mの大型ミラーを展開し、地上に直径5kmの明るい斑点を作りましたが、数時間後に落下してしまいました。2回目は直径25mのミラーで、地上に直径7kmの明るい斑点ができる予定でしたが、展開時に引っかかり、失敗に終わりました。

2006年、米国の天文学者ジェームズ・エンジェル(James Roger Prior Angel)は、前の案をさらに安価で実現可能な案を提案しました。

まず、直径2000kmの薄膜をL1点に設置します。しかし、この巨大な薄い鏡は太陽光圧で地球方向に押し流されてしまいます。そこで彼が提案したのは、地上の電磁加速器で宇宙船を地球軌道に打ち上げ、その宇宙船に直径0.6mの薄い反射ミラーを大量に圧縮して積み込むというものです。宇宙に到着後、数ヶ月かけて粒子推進機関でミラーをL1点に送り届けます。

この電磁加速器は数千メートルの高地の山頂に建設され、加速管は1kmの長さがあり、最終的に12.8km/秒の速度を実現します。これは地球の逃げ速度11.2km/秒を上回ります。小さなミラーは雲のように地球と太陽の連線上に散らばり、雲の厚さは約10万km、直径は地球とほぼ同じ大きさで、総重量は約2000万トンになります。

各小ミラーには小型のモーターが取り付けられ、静電力で回転させることで太陽光圧による位置ずれを補正できます。L1点に50年ほど留まることができます。この工事は着手から完成まで25年を要し、費用は7500億ドルで、同期間の世界GDPの5‰以下と試算されています。

2022年には、マサチューセッツ工科大学からも案が出されました。L1点で直接ミラーを「吹き上げ」るというものです。

彼らは既に実験室で、マイナス50度、0.0028気圧の環境下で、溶けたシリコンを泡立てて小さな泡を作ることに成功しています。泡の厚さは400~600ナノメートルで、太陽光の波長に近いため、太陽光をよく遮蔽できます。質量密度は1平方メートルあたり1.5グラム以下です。泡の面積はブラジル国土程度で、最終的な総重量は数百万トンと、これまでの案よりはるかに軽量です。この案では太陽光を約1.8%減らせると試算されています。

しかし、現在のところ全ての太陽放射管理の計画は紙面上に留まっています。もちろん、数十年前に比べれば、これらの案は扱いが良くなっています。以前は政府間気候変動パネル(IPCC)の会議で議論されることすらありませんでした。

議論の中で、定量化できない副作用があるため、なかなか実験に踏み切れないでいます。例えば、二酸化炭素を減らさずに単に温度を下げても、海洋の酸性化は解決されず、大気中の二酸化炭素濃度は上がり続けます。もしその時に「強力な一時しのぎの薬」が太陽風で吹き飛ばされてしまったら、文明史上最悪の災害以上の惨事になるかもしれません。

今後、地球温暖化問題をどう解決するか予測すると、排出削減と太陽放射減少の両方を併せて行うことになるでしょう。これこそが「科学技術が生み出した問題は、また科学技術で解決する」という言葉の意味なのかもしれません。

20年後の夏に、私たちがまだ真昼に外出できることを願っています。