1-2 地球システムの循環：水と二酸化炭素

地球は、太陽からのエネルギーを受け取り、大気や海洋が循環することで環境を維持しています。その中で物質がどのように巡っているのかを知ることは、気象や気候を理解する上で不可欠です。

1. 地球表層の水循環

水は、地球上で「気体（水蒸気）」「液体（水）」「固体（氷）」の3つの姿（相）を自由に変えることができる唯一の物質です。この状態変化が、私たちの天気を作っています。

蒸発: 太陽の熱エネルギーによって、海や地面から水分が蒸発し、水蒸気となって大気中へ入ります。
- ポイント: このとき、水は周囲から熱を奪って（蓄えて）水蒸気になります。この熱を「潜熱（せんねつ）」と呼びます。
輸送・凝結: 水蒸気は風によって運ばれ、上空で冷やされると凝結して雲（水滴や氷晶）になります。
- ポイント: 凝結するとき、蓄えていた潜熱を放出します。これが「大気を暖めるエネルギー源」となり、台風や低気圧を発達させます。
降水: 雲の粒が大きくなると、雨や雪となって地表に戻ります。
流出: 地表に降った水は、川となって海へ戻ったり、地下水となったりして、再び蒸発の時を待ちます。

ある物質が、その場所に平均してどのくらい留まっているかを示す時間を「滞留時間」と呼びます。

大気中の水蒸気:約10日
- 水は大気中に入っても、わずか10日程度ですぐに雨となって落ちてしまいます。この回転の速さが、日々の激しい天気変化を生み出しています。
海水: 数千年
- 一度海に入ると、再び蒸発するまでには長い時間がかかります。

水は、全体の97％が海洋、2.4％が雪氷、0.6％が地下水、0.02％が河川や湖沼に存在します。

蒸発と降水による水循環の収支は以下のようになります。

陸上よりも海洋の方が面積が広いため、海洋のほうが蒸発・降水ともに多いです。ちなみに、海洋には、1.4×10²¹kgの水が存在します。

二酸化炭素もまた、大気、海洋、陸上生物の間を循環しています。化石燃料の燃焼による長期的な増加トレンドに加え、**1年周期の規則的な変動（季節変化）**が見られるのが大きな特徴です。

大気中の二酸化炭素濃度は、季節によって増減を繰り返しており、そのグラフはギザギザした形になります。

主な原因: 陸上の植物による光合成と呼吸のバランスの変化です。
変動のパターン（北半球の場合）:
- 春〜夏（濃度減少）: 植物が葉を茂らせ、活発に光合成を行います。大気中の$CO_2$を大量に吸収するため、濃度は下がります（9月頃に最小）。
- 秋〜冬（濃度増加）: 落葉や枯死により光合成が弱まり、土壌中の有機物の分解や生物の呼吸が優勢になります。大気中へ$CO_2$が放出されるため、濃度は上がります（5月頃に最大）。

なぜ北半球の季節が基準になるのか？

地球の陸地面積は北半球に偏っており、植物の量も北半球の方が圧倒的に多いため、地球全体の$CO_2$変動は北半球の季節（植生）に支配されています。

そのため、振幅（変動の幅）は高緯度ほど大きく、南半球や赤道付近では小さくなります。

海洋は、放出された人為起源$CO_2$の約3割を吸収しますが、水温やプランクトンによって出し入れが行われています。

物理ポンプ（溶解ポンプ）:
- 冷たい海（高緯度）: 気体は水温が低いほどよく溶ける（ヘンリーの法則）ため、$CO_2$を吸収し、深層へ沈み込みます。
- 暖かい海（赤道付近）: 水温が高いため溶けきれず、$CO_2$を大気中へ放出します。
生物ポンプ:
- 海洋のプランクトンが光合成で炭素を取り込み、死骸となって深海に沈むことで炭素を隔離します。