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対コロナウィルスのロックダウンと地球の気候 |
米Physics World紙電子版の表記の記事に興味を持ったので全文を翻訳した。 2020年夏、日本では豪雨被害が起こり、続いて最高温度を更新するような酷暑となり、台風も９号、１０号と超大型が発生するという異常な天候であったし、アメリカでは史上最悪の大規模な森林火災が起こっているが、あるいはこれらがロックダウンと関係があるのだろうか？との疑問が湧いたのである。 |
COVID-19のロックダウンで地球の気候は変化したか？2020.9.12 PhysicsWorld電子版 （森谷東平訳） |
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COVID-19（新型コロナウィルス感染症）パンデミックへの対策として各国が実施したロックダウンは大気の汚染を劇的に低下させたが、これは科学者にとっては大気の汚染低下が気候・気象に与える影響を探るまたとない機会を与えることになった。しかし、その関係は複雑であることがKate Ravilliousの研究で示されている、 |
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COVID-19は世界を一変させた。パンデミックは地球の隅から隅まで惨状、痛み、損害をもたらした。しかし一方で、この未曾有の災害が以前は想像すらできなかった絶好の機会を科学研究にもたらした。というのは、世界各国がロックダウンに突入したことに伴って大気汚染が劇的に低下し、雲の形成など長い間わからなかった課題を科学的に解くというユニークな実験ができる機会が到来したのだ。そうした実験で大気汚染、気象、気候の間の複雑な相互関係の理解が深まったのだ。 厳しいロックダウンが最初に実施されたのは、COVID-19感染症が初めて確認された中国・武漢で、2020年1月23日であり、SARS-CoV-2ウィルスの蔓延を抑え込むため直ちに中国全土にロックダウンを拡大させていった。公共交通機関は運行停止となり、大学、諸学校、職場は閉鎖され、人々は各自の家に閉じ込められた結果、街々は静まり返り大気汚染は急激に減少した。気象衛星観測による具体例を挙げれば、二酸化窒素は中国東部全体で70％という大きな低下を示し、武漢などの地域では93％の低下を示したところもあった（Fig. 2）。ウィルス蔓延が世界に拡大し世界中の国々がそれぞれのやり方でロックダウンを進めていくにつれて、大気はそれに応えていき、ニューデリーに青空がよみがえって30年ぶりに北インドでヒマラヤが見えるようになり、ジャカルタ、ロスアンゼルス、パリそのほか多くの都市で地平線がくっきりと見えるようになったのだ。 しかしながら、空気が清浄になったことで、どこもかしこも青空がもたらされたのではない。料理でもわずかの量の砂糖や塩のさじ加減で出来上がったケーキの味が大きく変わるように、大気の組成のわずかな変化が引き金となって大気に興味深い連鎖反応が引き起こされるのだ。例えば、化学物質が生成されたり、雲が作られたり壊されたり、地上の天気に影響を及ぼす可能性もある。ただ、自然の気候変動の変わりやすさにまで逆らってこれらの変化の情報を得るのは困難である。
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地球温暖化の抑制イギリス・レディング大の気候学者であるRichard Allanは、「微粒子汚染が減少することで気象が受ける最も直接的な効果は 地表を温める太陽光が増加しそれが空気中で吸収されたり宇宙に反射されるより大きくなることだ。」と述べている。今年の初め、Allanらは、過去数十年の大気の組成の変化で地球表面に到達する太陽光の量が顕著に増加したことを報告している。40年に渡る太陽放射測定を解析した結果、1980年代にヨーロッパを覆った汚れた空は太陽光を遮り、地表の光量を低下させた。しかし、1980年代の終わり頃の汚染防止の履行以来ヨーロッパの太陽光量ははっきり改善した。中国も同様な経過があったが大気汚染の改善とそれによる太陽光量の改善は2005年まで遅れていた。 各地の空が清浄になった結果は大気の循環の形と異常気象にも大きな影響を与えた。昨年の2月、カリフォルニア工科大の気候学者であるYuan Wang達は、1970年以来のヨーロッパにおける大気汚染減少の結果として高高度の風の強度と位置に変化が起こり、冬季のジェット流が北方に移動したことを示した。この変化によって、ユーラシアの北部地方における極寒の機会は減少傾向にある。 今後の短期間に対する影響はどうだろうか？COVID-19のロックダウンに伴う大気汚染の劇的改善から何が起こると見るべきだろうか？前述のAllanは、「COVID-19による広範囲の大気汚染の減少により地球全体の太陽光の加熱の仕方に影響が出るだろう。この影響は、特に南アジア。ヨーロッパ、北アメリカに大きく、この地域の気象システムに影響すると思われる。しかし、この効果を混沌とした通常の気象変動と切り離して考慮することはできない。」と述べている。 清浄な大気は多くの雲を生み出す場合もあった韓国・釜山のIBS気象物理センターの気象学者であるAxel Timmermannは、大部分の地域で気候変動（温暖化などのトレンド）は気候ノイズ（年毎の変動）の中に埋没して認められないであろうという立場である。しかしながら、今年の2月に中国東部のロックダウンに伴って大気汚染が大規模に低下した結果ノイズを上回る大きな変化が起きた可能性があることを認め、それ以来彼のチームはこの物語の解読に全力で取り組んで来た。 「私たちは中国東部地域で広範囲に人間の生活起源のエーロゾルが大規模な低下を示したことを観測したのだから、雲の形成に関わる核が減少し、その結果雲の発生が低下するだろうと単純に推論しました。」とTimmermannは話す。しかしながら、彼の研究チームは興味深い驚きに直面したのである。 ロックダウンの衝撃に由来する気候変動と通常の気候変動を解きほぐすために、アメリカの国立大気研究センターが開発したモデルを用いてスーパーコンピュータ上で４０のシミュレーションを実施した。「コミュニティー地球システムモデル」というモデルで、海洋と大気を結びつけた二大全地球気候モデルであって地球の過去、現在、未来の気候状態のシミュレーションが可能である。どのシミュレーションにおいても2020年1月中に観測された大気と海洋の状態に近い状態からスタートさせてその後12ヶ月のモデル計算をしたが、モデル計算の半分は通常の年に期待される気候状態についてのモデル計算で、残りの半分はコロナウィルスのロックダウンを考慮した気候モデルのシミュレーションである。この二つのシナリオを表現するために、２０のシミュレーションは過去数年間の2月（2020年2月は含まない）の大気汚染の平均のレベルを用い、別の２０のシミュレーションではロックダウンの衝撃を模倣するように2月のエーロゾル排出量低下が65％であると打ち込んで計算を実施した。
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「実に驚いたことに、エーロゾルを低下させたシミュレーションでは中国東部の地域全体で下層雲（地上から２kmまでに発生する雲で霧も含む-訳者注）の量と相対湿度が顕著に増加するという結果が得られたのです」とTimmermannは述べており、論文は現在査読段階である。ロックダウンを織り込んだシミュレーションの結果は実際に地表で観測された結果とよく一致していて、実際下層雲の増加がはっきりと見られたのである。 「エーロゾルが雲の生成をどのように制御しているかについてはなお研究の余地があるが、これまでのシミュレーションの結果は実に興味深いものです。」とTimmermannは述べる。シミュレーションによれば、エーロゾル粒子数が低下すると雲凝結核の生成も減少する。しかしながら、生成した雲凝結核は多くの水分を集めて大きな水滴を形成した結果蒸発し難くなり、安定で寿命の長い下層雲が形成されるのだ。一年の中でも違う時期や気象条件は計算に影響を与えるから、条件が変われば全く違ったシミュレーション結果となるだろうとTimmermannは付け加えた。 |
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当然ながら、2020年2月における中国・北東地域に見られた下層雲が大気が清浄になったことが原因で引き起こされたかどうかはわからないし、Timmermannが見出したことは誇張があると警戒を示す科学者もいる。「あの研究は興味深いが注意しなければならないのは、気象現象は太陽光の照射の変化以外の理由で例外的な現象を起こすことがあるからだ。」とレディング大でAllanとは別のプロジェクトに属する気候学者のNicolas Bellouinは指摘する。 実際、6月に公表されたWangらの論文には中国・東北地域全体でもっと込み入った相互作用があることが示唆されている。この研究チームは、中国においてロックダウンが最も厳格に実施されていた1月23日から2月13日の期間に中国・東北地域の大気汚染のデータを収集して大気化学と気象のシミュレーションを実施している。「私たちは直感としては、二酸化窒素と二酸化硫黄の減少がエーロゾル減少を引き起こしそれでスモッグが減るだろうと予想しました。」 上海、武漢、杭州のような巨大都市での観察結果はこの直感と一致しているようだ。だが、Wangらが驚いたのは、調査した北部地域では全く逆であり、北京と周辺地域ではひどく息苦しいスモッグを経験していたのだ。北京では、微細ダスト粒子（直径が２.５μm以下の粒子状物質でPM２.５と略記する）は200μg/m3にまで達していたが、この値はこの年の平均値より約20％高く、ＷＨＯのガイドライン値である25μg/m3よりはるかに高い値であった。 |
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Wangの研究チームが化学と気象学で研究しているときに、ロックダウンの期間中の交通量や工場排気ガスの減少は北京と近隣地域の大気汚染の緩和に貢献していないことを見出した。実際は、湿度の上昇と二酸化窒素の減少によって二次的な化学反応で生じた別の汚染物質である基底状態のオゾンの形成が促進されていた。これは、通常の条件では酸化窒素がオゾンと反応してオゾンを分解し二酸化窒素と酸素になることでオゾン生成が抑制されるのに対し、酸化窒素が少ないと基底状態のオゾンは通常より寿命が長くなりオゾンの濃度が増加するのだ。（工場の少ない地域ではこの効果が小さいのは酸化窒素の減少が大きくないからだ。）「これら２次反応は以前にも議論したが、その時考えた時よりずっと支配的だということがわかったのだ。」とWangは述べている。「私たちの見解では、Timmermannのチームが提唱する雲の形成機構はもっともらしいフィードバックプロセスだが、このケースでは地上のスモッグ発生の主たる原因であるとは思わない。」 近年、北京をはじめとする都市ではひどいスモッグ発生を防止するために日替わりの交通規制や操業停止のような短期の排出規制を実施している。これらは、2008年夏の北京オリンピック期間や2014年11月のアジアー太平洋経済協力会議では有効に働いていたように見えた。しかし最近の研究では、その時の北京の大気汚染の改善はたまたま気象条件が良かったことによる僥倖に過ぎないことが示唆されている。Wangによれば、「その二つのケースでは地表近くの湿度が今年のロックダウン時期の湿度ほど高くなかった。」皮肉なことだが、交通量を減らしたことだけが事態を悪い方向に作用したのだ。「自分達のシミュレーションが示すように、大気汚染の全ての原因を考慮する必要があり揮発性の有機化合物の減少が重要なのはこれが２次の化学反応の生成を制限するからだ。」 |
Fig.3 スモッグ生成の化学（元の記事には無い図で、訳者が追加した。） |
空っぽの大空イギリス、リーディング大のNicolas Bellouinはロックダウンで生じた非常に特別な条件、つまり航空交通の停止、を利用して雲量の変化を検出できないかと考えている。「航空交通は、ヨーロッパとアメリカ間やアメリカーアジア間などで、極めて明確な航路を利用しているので、これらの航路に沿った雲の性質の変化を検討することができるのだ。」 航空機は、飛行中後方に凝縮した水の尾（飛行機雲）やジェットエンジンから放出される微粒子を残すことによって大気の組成に影響を与えている。「氷の核が形成される際にこれらの放出粒子がどのように影響するかについてよくわかっていませんが、仮説としては、放出される微粒子が少ないほど雲を凝縮させる核が少なくなり巻雲が少なくなるか薄くなると予想しています。」Bellouinと共同研究者は、飛行量の多い航空路についてロックダウンの時期と過去を比較するために人工衛星データを集めている。「例外的な気象条件による変化を確かめてそれを除くために、ロックダウンの時と類似した気象条件を有する過去の日を選び出します。手間のかかる込み入ったプロセスです。」とBellouinは述べている。今年後半に結果を出すことを目指している。 |
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ロックダウンはインドのモンスーンを変えたか？では世界の他の地域はどうであろう？ヨーロッパ、アメリカ、インド、オーストラリア、南アメリカがロックダウンに突入してそれぞれで大気汚染の低下を体験した時何が起こったのか？メディアでの誇張された報道とはうらはらに、中国東部以外の地域における大気汚染の低下はどこでも中国東部ほどではなかった。例えば、中国東部では二酸化窒素が７０％も低下したのに対して、西ヨーロッパやアメリカでは2019年の同時期と比較した二酸化窒素の低下は20〜38％に留まったことが気象衛星の測定から分かっている。それなりに印象的な低下率ではあるものの、天候・気象に特別な変化を与えるほど大きいとは言えないであろう。 それでも検討の価値がないわけではない。3月末までインドは厳しいロックダウンを開始して、エッセンシャルサービスを例外として１３億の人々は２１日間のステイホームを求められたのだ。工場は停止し、野生の鳥や猿、犬、象などの動物達が街中を闊歩するようになるにつれて、大気汚染が目立って低下した地域があり、それが継続すれば気候に影響を与えそうにも見えた。イギリス・レデング大のLaura Wilcoxの研究論文（査読中）によれば、アジアの大気汚染低下が多年にわたり続けば熱帯性モンスーンの雨量に大きな影響を与えるであろうという。その理由は、インドのスモッグが薄くなればそこで反射して地球外へ戻る熱量が減少するからである。こうして、陸地の温度の上昇が引き起こされて、海洋と陸の温度の差異が増加し水分の自然循環が強くかつ速くなるからだ。 |
 Fig.5 ヨーロッパとアジアにおけるエーロゾル排出量の低下： 地図は、ロックダウン期間中に人間の活動に由来するエーロゾルの変化で、2016−19年に対する相対値で示している。西ヨーロッパとインドの空気汚染の低下は、中国東部が低下率70％を示したのに対し圧倒的に低下率がわずかである。 |
ロックダウンに伴う大気汚染低下は大自然の中の束の間のことであるかもしれないが、インドの気象に影響することはありそうだ。Wilcoxは、「インドを綿密に観察してきました。通常は夏のモンスーンは6月中に始まるものですし、それに先立って気温が上昇しエーロゾルレベルが同時に高くなるのが普通なのです。」と述べている。2020年には、インド北部における大気汚染の低下は強いモンスーンの発生を促すものと考えられる。Wilcoxの研究チームは慌ただしく測定をして解析をしており、過去の測定値と比較してこの予想が正しいかを検証している。最初の検証では、今年はモンスーンは例年より弱いけれども異常に強い対流現象があり7月に非常に強い豪雨があり、東北インド、バングラディシュ、ブータン、ミャンマー、ネパールにひどい洪水が起こり、数百人の死者と400万人にものぼる避難者が発生した。この強い豪雨が大気汚染の低下に関係があるのか単に今年偶然に起こった気象変動にすぎないかを見極めるにはなお検討が必要である。 大気汚染の削減は単純でない環境化学者たちは、ロックダウンは大気汚染が気候に与える影響を理解する良い機会と捉えたが、同時に大気汚染の発生源と汚染の移動距離を研究する良い機会とも考えた。ヨーロッパでは、ロックダウンで起こった大気汚染の様子は中国のそれに呼応した二酸化窒素の顕著な低下があったが、微細粒子汚染については低下が小さいかむしろ増加するという残念な結果となった。イギリスの大気科学自然センターのAlastair Lewisは、「PM2.5については多くのことがわかっていて、その多くのものは自然界では副次的であり、輸送量の減少は微粒子に大きな影響を与えないのです。農業で発生するアンモニアや溶剤から発生する揮発性有機化合物のような、２次微粒子の大きな発生源はいつも通り大量に発生したからでしょう。」と述べている。 もし、COVID-19のパンデミックによるロックダウンと関連した変化から我々が学ぶことがあるとすれば、地球大気で起こる反応がいかに複雑であるかということであり、気象と大気の化学がいかに密接に関係しているかということである。大気汚染の低下が、天候の型を変化させたり２次汚染が高まるなど、負の結果が偶然にもたらされる可能性があることは確かだ。地域性の大気汚染を抑制し、短期間で起こる危険な異常現象を防ぎたいと考える都市にとって、ロックダウンでの調査は短期での改善は常に可能というわけではないということを示唆している。都市の大気汚染に取り組む最良の方法はむしろ色々な全ての発生源の汚染を減少させることだが、この一見妥当に見える対策もそれぞれの課題をもたらすだろう。 今年の初めにWilcoxのグループは、大気汚染の急激な改善は将来気候変化を加速させるに違いないとする研究を発表した。大気の質の急激な改善に伴う最も極端なシナリオでは、2050年までに年間最高気温が４°C上昇するというもので、その上昇の１/３は空がきれいになることによる。 それにもかかわらず、大気汚染を改良しないことによる負担増加はずっと大きい問題だ。Allanは、「温室効果ガスを現在のレベルで大気中に排出し続けることは、もっと大きく恒常的な温度上昇を引き起こす。それは、地球規模の水循環と共に私たちの社会と私たちが依存しているエコシステムに深刻な影響を与える」と述べている。 |
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＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 訳者より ロックダウンが地球規模の気象・天候に影響を与えているらしいことは理解できたが、基本的なことで色々な疑問が湧いてきた。まず、スモッグを構成する微粒子が減少した事はデータで示されているが、その結果の気温の変化については明確にデータが示されていない。空が明るくなって地表温度が上昇したとすれば温暖化が進んだことになるがそう単純ではなさそうだ。おそらく、温室効果ガスであるCO２の挙動が示されていないから問題が明確になっていないのであろう。 微粒子が減るクリーン化で太陽光の照射エネルギーで地表温度が高くなり、その熱をCO2の温室効果が逃がさないという単純なモデルに従えば、大気汚染減少で温暖化は進むことになることになる。レビュー記事の最後近くにあるWilcoxらの「年間最高気温４°C上昇」という予測はそういうモデルに基づくものなのであろうし、実際にこれが起これば人類はもとより地球環境にとって大きな問題となるであろう。。 豪雨や台風との関連は残念ながらわからなかった。(2020.９.1７) 関連記事
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