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read the atmosphere

気候変動と科学と社会

〈書籍メモ〉Christie(2001)The Ozone Layer[Chapter4]

  • Maureen Christie (2001) Chapter 4 The Supersonic Transport (SST) debate. "The Ozone Layer: A Philosophy of Science Perspective". Cambridge University Press. Cambridge. pp.23-28

 

4章はふたたび成層圏オゾン科学の研究の歴史。といっても話の軸になるのはSST論争で、くわしい研究の歴史というよりは、論争がいかにして生まれ、どのように減衰していったかということが主な主題だ。

人類による成層圏飛行は第2時大戦後すぐに始められた。公式に認知されるようになったのは1955年のことだ。1962年までには商業化に向けた具体的な話が可能になるほど技術レベルが向上した。商業的な超音速旅客機計画はさいしょにイギリスとフランスの共同事業として計画され、アメリカ、ソ連が続いた。発足からすぐに、SST計画にはデザイン上の工学的な課題と、商業的なコストの問題が生じた。そんなわけで計画はゆっくりとすすんでいったが、徐々に市民の環境に対する意識も高まっていき、2つの懸念が生まれた。もっとも重要とみなされたのは、SSTによるソニックブームの問題だった。この問題のためにSSTは地上では亜音速飛行を強いられることになった。また思わぬようなさまざまなところから懸念が表明された。たとえば牧場の牛に悪影響があるのではないかとか、海上の岩礁に生息している鳥たちの卵が割れる可能性があるのではないかという話も出たらしい。ソニックブーム問題よりも認知度は低かったが、成層圏という安定した大気層にSSTの排気がどのような影響を与えるのかという観点からの懸念も生じた。こうした問題意識はアメリカのCIAPにつながった。この研究計画の成果や、商業的な採算の問題から、アメリカでのSST計画は大きく縮小を迫られることになった。
SSTの排気による環境影響として最初に懸念が提起されたのは、気候への影響だった。これは1960年代後半に出現したもので、本来非常に乾燥して水蒸気の少ない成層圏に排気として水蒸気が注入されると、凝結して氷の結晶になって成層圏エアロゾルが増えることで太陽放射の反射率が上がり、気候が寒冷化するのではないかというものだった。もうひとつの懸念は排気中の水によるオゾンへの化学的な影響で、Harrisonは1970年にこうした懸念を提起した。彼のモデルは成層圏への水蒸気の注入はオゾンの破壊をもたらすと計算した。

1960年代の間、成層圏オゾン化学の研究はChapmanのモデルの改良として進んだ。Huntは、Hampsonの水蒸気がオゾン化学に重要な役割を果たしているという示唆に基づいて、モデルを立てた。これはChapmanモデルに、ヒドロキシラジカルと過酸化水素ラジカルのサイクルを加えたものだった。LeovyはHuntのモデルを単純化してモデル計算を行い、注意深く反応定数を決めることで成層圏での実測のオゾン分布とうまく一致した結果を得た。ただしこの定数の決め方には問題が残っていた。Hunt−Leovyメカニズムは成層圏オゾン化学において低濃度であっても水蒸気の存在が重要であることを示していた。1960年代の終わりになって、いくつかの重要な反応速度定数が正確に求められた。こうした数値を用いて計算すると、Hunt−Leovyメカニズムを加えたChapmanモデルでは成層圏オゾンの量を十分説明できないということがわかった。

Johnstonは1971年に排気中の窒素酸化物が成層圏オゾン化学に重要な寄与を果たしている可能性を示唆した。窒素酸化物による反応についてはこの当時すでに多くの研究の蓄積があったが、こうした結果は大気中の反応については見過ごされていた。1970年にCrutzenは成層圏化学における窒素酸化物の役割に関する研究を発表しており、JohnstonはCrutzenの仕事を元にモデル計算を行ったのだった。窒素酸化物は触媒として連鎖反応的にオゾンを破壊する。政治学者Clarkは1974年に科学の専門家の助言が公共政策にあたえる役割を明らかにする上で、こうしたオゾン層研究がいい例になると言っているらしい。引用されている彼の文章によれば、1970年のSCEPは(必ずしも成層圏にのみ主眼を置いていたわけではなかったので)成層圏にあまりなじみのない化学者や気象学者が呼ばれて話し合い、成層圏オゾンへの窒素酸化物の影響は無視できると結論した。しかしこうして専門家コミュニティの中でこの問題の認知度が高まることによって、本当にこの問題に取り組む能力を持つ専門家が関心を持つようになり、1971年のSMICでは専門家が注意深く選ばれ、議論はSST成層圏オゾンに対する危険因子であるという結論を得た。

さて、こうした窒素酸化物のオゾンへの寄与の大きさに関してはGoldsmithらによって1973年に出た論文で批判を受けている。というのも、1957年から1963年にかけて世界中で大気圏内核実験が行われた。これはかなりたくさんの窒素酸化物を成層圏中に注入したはずだが、成層圏オゾンの観測の結果はこうした核実験と成層圏オゾン量の間に相関がないことを示していた。であれば、核実験よりはるかに注入する量の小さいSSTのオゾンへの影響も大きくないのではないかというものだ。
1974〜75年にかけて、人為的な窒素酸化物が成層圏での影響が限られている理由は、それまで仮定されていたよりも、成層圏下層での天然の窒素酸化物が多く存在していたためだということがわかった。1960年代後半、Crutzenは成層圏中の天然の窒素酸化物の起源について調べていた。そして生物由来の一酸化二窒素が成層圏での窒素酸化物になるのだろうと示した。Johnstonはこれに基づいて、1980年台までのSSTによる成層圏オゾンへの影響の予測を試算した。

現在の理解では、成層圏での奇数酸素分子の除去に寄与するのは、NOxサイクルが60%、Chapmanメカニズムが20%、それ以外のメカニズムが20%ということになっている。それ以外のメカニズムにはHunt−Leovyメカニズムや塩素サイクルが含まれている。したがって、成層圏への窒素酸化物の注入によるオゾンへの影響はJohnstonが予測したよりは小さかった。
SST論争が衰退した他の要素は、SSTの商業化の規模が初期の予定に比べて大幅に縮小されたことだった。こうして、結果としてはかなりつまらない結論にはなったものの、SST論争は科学者、実務者、そして一般市民が成層圏オゾンのデリケートな性質を知る上で大きなきっかけになった。これはまた、成層圏オゾン研究への大きな刺激になり、Chapmanモデルと実測との不一致という問題の解決へ科学者を誘導することになった。

そんなわけでこの章はSST論争の歴史みたいなものだけど、ぼくはどちらかというと理論史をもうすこし丁寧に追いかけてほしかったな。とくにNOxの寄与が小さいとわかったところなんかはもうすこし説明がほしかった。