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世界の今 北極のオゾンホール
！ 知 りたい 世界の今 北極のオゾンホール 北海道大学大学院情報科学研究科 准教授 木 村 圭 司 近年、地球環境問題といえば、まっさきに地球温暖化が チメートル）と定義されている。 思い起こされるであろう。しかし、1980年代後半から1990 太陽光線は、波長の短いものから順に地球の上層の大気 年代前半には、地球環境問題といえば南半球のオゾンホー と化学反応していく。図１で示されるように、太陽から ルが取り上げられることが多かった。当時、冷蔵庫やエア やってくる紫外線（Ultra Violet: UV）は、波長の短い方 コンの冷媒だけでなく、缶スプレーの噴射剤などには、フ からUV-C（波長100〜280nm「ナノメートル（100万分の ロンという物質が使われていた。このフロンは、 無色透明・ １mm）」）、UV-B（波長280〜315nm）、UV-A（波長315〜 無臭であり、化学的にも熱に対しても安定である。また、 400nm）と、大きく三つに分けることができる。UV-Cは、 不燃性で引火も爆発もせず、毒性もないため、安全に使う オゾン層で完全に吸収されて地上には届かない。UV-Aは ことができた。さらに、金属などを腐食させず、適度の溶 大気ではほとんど吸収されずに地表面に届く。問題なのは 解性があるため、精密機器の洗浄剤としても使われた。揮 UV-Bである。大気中のオゾンの量が減少すると、UV-Bの 発性で低い沸点で気化しやすく、加圧によって液化しやす 吸収される量が減少し、地表面に届く量が多くなる。この い性質は、冷媒として最適であった。このように1930年に UV-Bは人体や環境に大きな影響を与えることが知られて 人工的に合成されたフロンは「夢の物質」とよばれ、有害 いる。 なアンモニアガスなどから急速にとってかわっていった。 オゾンホールは、極地方の春（北半球では３月、南半球 この結果、フロンの大気中への放出量は1950年代から1970 では９月）に、オゾン層に存在するオゾンが破壊されてで 年代まで、年率約10％という高い割合で増えていった。と きる。オゾンホールが発生する直前の冬には、極成層圏雲 ころが、地上ではとても安定な物質であったフロンが、上 （Polar stratospheric clouds：PSC）が増えることがわか 空約20kmの大気中では地球上の生物の生命を脅かす物質 っている。PSCは-78℃以下という、極付近でも冬季にき になりうることがわかり、国際的な問題になった。 わめて低温になったとき、成層圏にできる雲である。高度 南極域のオゾンホールに近い地域や高標高の地域では、 が高いために日没後でも太陽の光を受けて真珠母貝の内側 紫外線が多く地上にまで到達し、皮膚や目に悪影響を及ぼ のように虹色に光るため、真珠母雲とよばれることもある。 していると報じられた。さらに、オゾンホールができない この雲は、硫酸塩や硝酸塩が含まれた氷粒によってできて と考えられた北極域でも、2011年にはじめてオゾンホール いる。この雲の中では、春にオゾンを破壊する準備が着々 が観測された。北半球の高緯度には多くの人が住んでいる と進んでいる。 ため、影響はとても大きい。 PSCの氷粒の表面では、通常の大気中では起こりにくい 1 オゾンホールができるメカニズム きょくせいそうけんうん しんじゅ ぼ かい しんじゅ ぼ ぐも 化学反応が起こる。大気中にあったオゾンを破壊しない物 まず、オゾン層とオゾンホールの成因について簡単に説 質は氷の粒の中に閉じ込められ、不安定な塩化化合物が大 明する。なお、この説明には、どうしても化学的な説明が 気中に放出されていく。春になると、極夜（「白夜」の逆で、 必要であることを先にお断りしておく。 一日中、太陽が昇らない日）だった極付近にも日射があた オゾンは大気中にわずかな量だけ存在する気体で、酸素 りはじめる。太陽光の紫外線のエネルギーを受けて、不安 原子（O）が三つ結合した物質（O₃）である。オゾン全量 定な塩化化合物は活性塩素に変化する。活性塩素はオゾン の約10％が対流圏に、約90％が上空10〜50kmの成層圏に を酸素に分解するが、この化学反応で活性塩素が減少する ある。この成層圏にあるオゾンがオゾン層とよばれている。 太陽 オゾン層の中でも20〜30kmではオゾン濃度が10ppm前後 ととくに高い。しかし、オゾン層は決してオゾンだけで形 成されているわけではなく、窒素や酸素などオゾン以外の 物質のほうが圧倒的に多い。ある場所の上空で大気中に含 まれるオゾンの量は、０℃１気圧に換算したときの厚さと して示され、１mmに相当する厚さのとき100D.U.（ドブ ソン・ユニット）また100 matm-cm（ミリアトム・セン UV-A UV-B UV-C オゾン層 5%UV-A 吸収 95%UV-B 100%UV-C 吸収 吸収 地球 図１ オゾンと紫外線の吸収 http://www.chemhume.co.uk/ASCHEM/Unit%203/15%20Equilibria/Equilibriac.htmをもとに作成 7 酸素分子 （O₂） 塩素原子 （Cl） O 象研究所の忠鉢隊員のゾンデ観測（気球を用いた高層気象 O 観測）によって最初に発見された。その後、人工衛星のデ Cl O O ClO + O 反応 触媒反応 Cl + O₃ 反応 ちゅうばち オゾン分子 （O₃） O ータを改めて解析したところ、1970年代にはすでに南極域 でオゾンホールが発生していたとされている。南極上空で オゾンの破壊 は観測が始まってから1979年までは220D.U.を下まわるこ とはなかった。このため、南極域では220D.U.を下まわる O Cl O 酸素原子 （O） O O 一酸化塩素 （ClO） 酸素分子 （O₂） Cl + O₃ → ClO + O₂ ClO + O → Cl + O₂ ときにオゾンホールが形成されていると定義される。南極 域のオゾンホールは1980年代から1990年代中ごろにかけて 急激に拡大したが、1990年代後半以降は、年によって大き くなったり小さくなったりすることはあるが、拡大する傾 向はみられなくなっている。 合わせると O + O₃ → 2O₂ 図２ オゾンの破壊メカニズム 出典：Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer: 2010 Update By David W. Fahey & Michaela I. Hegglin をもとに作成 2 北極のオゾンホールの現状 南極域ではオゾンホールが形成されることはわかってい ことはない（図２） 。つまり、活性塩素は触媒として作用 たが、最近まで北極域でオゾンホールはできないと考えら しているだけであり、少ない量でも多くのオゾンを破壊で れていた。南極大陸の周辺は海に囲まれているため摩擦が きる。一方で、春になって成層圏の気温が-78℃を上まわ 少なく、冬季の極渦は強く安定する。極渦には、低緯度側 るとPSCが消え、不安定な塩化化合物は氷粒の中に閉じ込 からの暖気の流入がなく、極夜で太陽から受けるエネルギ められていた物質と徐々に反応し、オゾンを破壊しない物 ーがほとんどなく、成層圏では-78℃以下が６月から９月 質に変わっていく。 にかけての４か月間も継続する。 きょくうず そしてさらに季節が進んで極渦（極の上空にできる渦状 一方で、北極圏では、中心部には北極海があり平坦であ の気流の流れ。冬は強く、夏は弱い。 ）が弱まってくると、 るものの、その周辺部にはロッキー山脈やチベット高原な 大気の南北移流が活発になるため、オゾンホールは明瞭で ど、山脈が多く存在する。これらの山脈の影響で、対流圏 なくなる。大気の南北移流は、春に形成されたオゾン量の で南北方向の気流が発生し、その影響が成層圏にも伝えら 少ない領域を、中緯度にまで拡散する。オゾンの量は、 れるため、低緯度側からの気流が入りやすい。このため、 1979年を基準として考えると、2011年には地球全体で平均 北極域の極渦は安定化せず、南極域ほど発達しない。また、 で約2.1％減少しているといわれている。 北極域の極渦は南極域と比べて、気温が高く、-78℃以下 さて、オゾンホールは、1982年に南極越冬をしていた気 になる期間も約１か月と短い期間である。こうした状況か ら、北極域ではオゾンホールが発生しないといわ れていた。しかし、北極域の極渦の強さをみると、 10年前後の周期で変動していることがわかってき た。この原因は現在も解明のための研究が進めら れているが、いずれにせよ、数年に１度、北極の 極渦が強くなるようである。 確かに近年まで、北極域でオゾンホールはみら れなかった。図３は、アメリカ合衆国の人工衛星 1990年３月 1997年３月 オゾン量（D.U.） -300 300-325 325-350 350-375 3752005年３月 2011年３月 図３ 北極域のオゾンホール 2013年３月 1990 〜 2005年は van der A, R.J., M.A.F. Allaart, H.J. Eskes, Multi Sensor Reanalysis of Total Ozone, Atmos. Chem. Phys., 10, 11277-11294, 10.5194/acp-10-11277-2010, 2010. の再解析値による。2011・ 2013年はHenk Eskes, Peter van Velthoven, Pieter Valks and Hennie Kelder, Assimilation of GOME total ozone satellite observations in a three-dimensional tracer transport model, Q.J.R.Meteorol.Soc. 129, 1663, 2003. のOMIセンサーの値による。ともに、月平均のオゾン量データは、http://www.temis.nl/protocols/O ３global.htmlよりダウンロードし、このデータを用いて木村が作図。 8 「 ア ク ア 」 に 搭 載 さ れ た オ ゾ ン 観 測 装 置OMI（Ozone Monitoring Instrument）などにより観測された北極域の オゾン量を示したものである。これをみると、1990、1997、 が近いうちに観測されるかもしれない。 3 北極のオゾンホールが世界の環境に与える影響 2005、2007年の３月には、成層圏オゾンの少ない状況が観 南半球のオーストラリアでは、紫外線が強くなったため 測されるようになった。そして、ついに2011年には北極域 に、皮膚がんや白内障が増え、免疫機能の低下を引き起こ でオゾンホールが観測されている。2011年の北極域では極 すという報告がある。このような健康被害を少しでも軽減 渦がここ30年間では最も強く、成層圏の気温もPSCの形成 するために、オゾンホールによる紫外線の増加に備え、サ できる-78℃以下の温度が４か月も継続した。その直後、 ングラスの使用、長袖・帽子の着用、日焼け止めクリーム 2011年３月のオゾン量の分布を示した図（図３）をみると、 の利用などが進められている。とくにアンデスなどの高地 300 D.U.以下となっている領域が、北極を中心に北欧・ス では、大気層が薄いために紫外線の影響を強く受けるので、 カンディナビア半島・ロシア北部に広がっている。このよ よりいっそうの注意が払われている。 うにオゾン量の少ない領域が、北極域では2011年３月から 南極域のオゾンホールの影響は、南緯50〜90度の地域で ４月初めにかけて継続し、その面積は南極域に匹敵する規 影響が大きいとされている。同様に北極域のオゾンホール 模であった。またこのとき、北極域で250 D.U.以下となる の影響を北緯50〜90度として、北極域のオゾンホールが環 領域も、初めて出現した。なお、南極域では成層圏のオゾ 境や人間に与える影響をみてみよう。 ン濃度が220D.U.になったときに「オゾンホールが形成さ まず第一に大きな問題となるのが、北緯50度以北には、 れた」と定義されているが、北極域のオゾンホール形成に 多くの人々が生活しているということである。図４にみら 関する科学的な定義はまだ行われていない。 れるように、南緯50度より南側は海がほとんどを占めてお アメリカ航空宇宙局（NASA）の調査によると、北極域 り、南極大陸以外のおもな陸地としては、アルゼンチンと の成層圏ではオゾンを破壊する作用の強い塩化化合物の量 チリの南端部、フォークランド諸島がある程度である。こ が南極域よりも多いことがわかっている。これに加えて、 の地域に住んでいる人口は33万程度にとどまる（CIESIN 近年、北極域でオゾンホールができるようになった原因と ほか（2005）の資料を用いて計算）。一方、北緯50度以北 して指摘されているものがもう一つある。それは、二酸化 となると、イギリスのほぼ全土に加え、ドイツのフランク 炭素など温室効果ガスの増加である。温室効果ガスの影響 フルト、ウクライナのキエフ、ロシアのモスクワといった で、地表付近の対流圏は温暖化が進んでいると考えられて 大都市が入り、人口総数は３億7000万以上にもおよぶため、 いる。しかし、成層圏では対流圏とは逆に寒冷化が進んで その影響は大きい。また、先にも示したように、オゾンホ いる。成層圏の大気は対流圏よりも気温が低く、温室効果 ールが消滅するときに、南北方向に空気がかき混ぜられる ガスには吸収できない赤外線（波長８〜13μm）の領域（「大 ため、オゾンの少ない空気の塊が日本のような中緯度の地 気の窓」とよばれる）の割合が増え、この領域で吸収でき 域にまで影響を及ぼすこともある。このように、北緯50度 ない赤外線が宇宙空間へと放出されてしまうために、温室 ではなく北緯40度あたりまで紫外線が増加すると、ヨーロ 効果ガスが増加すると、成層圏では寒冷化が進むのである。 ッパや東アジア、北アメリカの大都市を含むようになるた 2011年春の北極域でできたオゾンホールの動きを追って め、影響を受ける人口は10億をこえる。 みると、北欧、ロシア、カナダを通過している。この中に オゾンホールによる紫外線の増加は、生態系にも大きな は、人口が集中している場所もあることから、南極域のオ 影響を与える。例えば、陸上や水中の多くの生物に影響を ゾンホールより、人類に与える影響が格段に大きい。また、 与え、種の構成や生態系が変化していくと考えられている。 日本への影響を見てみると、今のところ北極域のオゾンホ とくに、紫外線は植物プランクトンの光合成や成長に障害 ールの真下に、中緯度の日本列島がくることはない。しか を与えるために、微生物への影響は大きいとされる。また、 し、このオゾンホールは2011年４月半ばにいったん消えた 紫外線により、歴史的な文化財だけでなく、私たちが日常 ように見えたものの、４月末から５月には日本上空をオゾ 使用するプラスチック製品までもが、変色したり強度が低 ンホールの断片が通過した。そのときにはつくばなどで通 下したりと、劣化が進みやすくなる。 常より多い紫外線量が観測されている。このように、日本 9 度の周期で極渦が強くなるため、よりオゾンの少ない状況 4 今後の予測や対策 のような北半球中緯度に位置する地域でも、北極域のオゾ 1980年代初頭には、フロンガスの排出がこのまま進むと ンホールの影響を間接的に受けることが知られている。 21世紀初頭にはフロンによる成層圏オゾンは20％以上減少 その後、2012年春と2013年春の北極域には、図３に示す すると予測された。このため、フロンの規制が進められる ようにオゾンホールは出現しなかった。しかし、数年に１ ようになった。 0 ● 3000km サンクトペテルブルク 50° モスクワ ロンドン ベルリン 40° ニューヨーク ロサンゼルス マドリード ペキン イスタンブール アンカラ テヘラン カブール ハラブ アレクサンドリア バグダッド ラホール デリー カイロ カラチ リヤド メキシコシティ ムンバイ アビジャン ダッカ 北回帰線 ホンコン ヤンゴン バンコク ホーチミン 赤道 シンガポール キンシャサ ナイロビ ジャカルタ ルアンダ リマ 人口密度 （ （1km2あたり） ー2007年ー 200人以上 100∼200 50∼100 10∼50 1∼10 1人未満または 非居住地帯 東京 横浜 シャンハイ アディスアベバ ボゴタ ソウル プサン サンパウロ リオデジャネイロ ● 南回帰線 サンティアゴ メルボルン シドニー 40° 50° 〔Diercke International Atlas 2010，ほか〕 図４ 世界の人口密度『標準高等地図』p.115 ① - aより オゾンホールのできる原因が、フロンガスの増加である とわかった直後の1985年には、国際的にオゾン層を保護す 4 る取り組みが始まった。その中でも代表的なのは、全世界 3 相対量 でフロンガスの排出を削減する取り決めである「オゾン層 の保護のためのウィーン条約」 （ウィーン条約）である。 定められた。これが「オゾン層を破壊する物質に関するモ 1 ントリオール議定書」 （モントリオール議定書）である。 オゾン層破壊 物質の排出ゼロ （自然発生源） 0 年 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 先進国ではフロンガス等は1996年までに、代替フロンも 発展途上国でもフロンガスは2015年まで、代替フロンも モントリオール議定書 2007年に合意された 水準まで規制 2 ウィーン条約のもとで、数値目標と実行計画が1987年に 2015年までに全廃するといった目標が掲げられた。一方、 オゾン層破壊物質の 規制なし 図５ 成層圏のオゾン層破壊物質の濃度予測 1980年の値を１とした相対的な量として示している（出典： 「オゾン層破壊の科学アセスメン ト2010」 （WMO, 2011）を改変） 。 2030年までに全廃することとなっている。 日本は、モントリオール議定書による実行計画の制定を 半には、世界全体のオゾン層は、オゾン層の破壊が明らか 待って、1988年に「オゾン層保護法」を施行し、ウィーン となった1980年より前と同じ程度まで回復することが見込 条約とモントリオール議定書に加入した。日本では、フロ まれている。つまり、オゾン層のオゾンの減少は、人間が ンガスを新たに使用しないだけでなく、古いエアコンや冷 排出したフロン類がもっとも大きな原因であったため、フ 蔵庫などに使われてきたフロンガスの回収に力を注ぐだけ ロン類の排出を抑えることによって回復できるのである。 でなく、発展途上国への積極的な支援を続けている。また、 冷凍冷蔵庫の冷媒に、これまでのフロンのかわりとして二 参考資料 酸化炭素を使うなど、比較的安全なノンフロン製品を使う ・岩坂泰信（1990）『オゾンホール〜南極から眺めた地球の大気環境〜』裳 取り組みが進められている。 ・環境省地球環境局フロン等対策推進室（2013）「オゾン層を守ろう－地球 華房 国際的な規制と取り組みの結果として、成層圏のオゾン 温暖化防止のためにも、フロンの放出を抑えよう－」http://www.env. を破壊する物質の量は、1990年代後半をピークとして、減 ・関口理郎（2003）『成層圏オゾンが生物を守る（改訂版）』気象ブックス 少傾向を示している。フロン等の規制はしだいに強化され ており、世界気象機関（WMO）と国連環境計画（UNEP） がとりまとめた「オゾン層破壊の科学アセスメント2010」 では、今後、成層圏のオゾンを破壊する物質は徐々に減少 していくと予測されている（図５） 。その結果、今世紀前 go.jp/earth/ozone/pamph/2013/full.pdf（2013年９月６日閲覧） 009、成山堂書店 ・中島英彰（2011）「2011年春季北極上空で観測史上最大のオゾンが破壊－ 北極上空のオゾン破壊が観測史上初めて南極オゾンホールに匹敵する規模 に－」http://www.nies.go.jp/whatsnew/2011/20111003/20111003.html （2013年９月６日閲覧） ・北海道大学大学院環境科学院 編（2007）『オゾン層破壊の科学』北海道 大学出版会 10