二酸化炭素は地球大気を薄くする？

日本ではニュースになっていないけど、欧米では話題になっているみたいなReutersの記事（12/11）から。Global warming prolongs life of space debris

Human increases in carbon dioxide emissions are thinning the Earth's outer atmosphere, making it easier to keep the space station aloft but prolonging the life of dangerous space debris, scientists said on Monday.

"It's a bit of a two-edge sword," said Stanley Solomon, a scientist at the National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado. "In the future, it will be a little bit easier to keep the space station, for instance, in orbit. It will need a little bit less fuel."

"On the other hand, it will give space junk a much longer lifetime," he told the fall meeting of the American Geophysical Union in San Francisco.

大気中の二酸化炭素濃度が地球温暖化の原因だと騒がれているけれど、実は二酸化炭素は宇宙ステーションにも影響が出るという話のようだ。そんな話は全然聞いたことがなかったけれど、記事によると、二酸化炭素濃度の増加は地球の大気層を薄くする効果があり、これにより宇宙ステーションが飛んでいる辺りの空気密度が低下するようだ。結果として宇宙ステーションが高度を維持するのが容易になる一方で、宇宙のごみ（デブリ）の寿命も長くなるので危険性も増すってことらしい。ところで、英語でも諸刃の剣のことは "two-edge sword" って言うんだね。。

Solomon is the co-author of a study presented on Monday that found man's burning of fossil fuels and increase of carbon dioxide emissions will make the Earth's outer atmosphere above 62 miles (100 kms) 3 percent less dense by 2017. The study found a decrease of about 5 percent between 1970 and 2000.

Although scientists say that carbon dioxide contributes to global warming closer to Earth's surface, in the thinner outer atmosphere where space craft orbit, a cooling effect takes place. Solar activity also impacts the outer atmosphere.

1970年から2000年までの30年間で高度100km以上の大気層が約5%減っており、2017年までにさらに 3%程度薄くなると見積もられるとのこと。二酸化炭素濃度の上昇と大気層が薄くなる現象の関係がよくわからないけど、二酸化炭素は地表付近では温暖化に寄与する一方で、上層では冷却効果が起こると書いてある。

The National Center for Atmospheric Research のリリースはClimate Change Affecting Earth's Outermost Atmosphereのようだ。これによると、密度の低下が見出されたのは地上60～400マイルの熱圏。ここの温度が低下し、密度が低下していることは従来から衛星軌道の追跡などによってわかっていたことらしい。CO2濃度の増加が熱圏を冷却するメカニズムについては

This paradox occurs because the atmosphere thins with height. Near the Earth's surface, carbon dioxide absorbs radiation escaping Earth, but before the gas molecules can radiate the energy to space, frequent collisions with other molecules in the dense lower atmosphere force the carbon dioxide to release energy as heat, thus warming the air. In the much thinner thermosphere, a carbon dioxide molecule absorbs energy when it collides with an oxygen molecule, but there is ample time for it to radiate energy to space before another collision occurs. The result is a cooling effect. As it cools, the thermosphere settles, so that the density at a given height is reduced.

どうやら、熱圏では分子の密度が地表と比べて著しく小さいため、エネルギーを吸収したCO2分子が他の分子と衝突する際に熱を放出することで大気を加熱するよりも、宇宙空間に放射熱として放出する方が多くなってしまい、地表付近とは逆に冷却サイドになってしまうということらしい。この辺については、このページの動画でアニメーション入りのSolomon氏の解説が見られる。調べてみると、この効果は超高層大気の冷却　("greenhouse cooling")として知られているようだ。

これに加えて太陽活動周期の影響も大きく、この時期は太陽活動が弱いためにより冷却効果が強調されるとのこと。今後、太陽活動周期の影響と大気中の二酸化炭素濃度の影響を加味した熱圏大気密度の予測をすることで、より精密な軌道予測や燃料需要予測が可能となり、これがロケット打ち上げの経済性に与えるインパクトも大きいらしい。