二酸化炭素は、太陽の熱が宇宙に逃げるのを妨げる性質を持つ。大気中の濃度が上がるほど地球の熱は閉じ込められ、気候変動が加速する。
ところが上空の成層圏では、二酸化炭素は逆に大気を冷やしていることが1980年代以降の観測で確認されてきた。
なぜ同じ物質が、場所によって正反対の働きをするのか。米コロンビア大学の研究チームはその物理的な仕組みをついに解明した。
二酸化炭素が特定の赤外線の波長帯を通じて熱を宇宙へ放出する効率の変化で、成層圏冷却が生じるという。
さらに成層圏が冷えるほど地表の温暖化が強まるという連鎖構造も明らかになった。
この研究成果は『Nature Geoscience［https://www.nature.com/articles/s41561-026-01965-8］誌（2026年5月11日付）』に掲載された。
二酸化炭素がなぜ気候変動を引き起こすのか
地球は太陽から光エネルギーを受け取り、その一部を熱として宇宙に返している。この熱の出入りが釣り合っているおかげで、地球の気温は生命が暮らせる範囲に保たれてきた。
二酸化炭素はこのバランスを崩す物質だ。
地表から宇宙へ向かう熱を途中で吸収し、その一部を地表に跳ね返す性質を持つ。毛布が体温を逃がさないのと同じ原理で、大気中の二酸化炭素濃度が上がるほど地球の熱は逃げにくくなり、気温が上昇する。
これが温室効果であり、気候変動の根本的な原因だ。
産業革命以降、石炭や石油などの化石燃料を大量に燃やしてきた結果、大気中の二酸化炭素濃度は産業革命前と比べて約50%増加した。
その影響で地球の平均気温はすでに約1.1℃上昇しており、異常気象が頻発し、海面上昇など、気候変動の影響が世界各地で顕在化している。
成層圏では二酸化炭素が逆に冷却を起こす
ところが地表から約11kmより上空の成層圏では、二酸化炭素はまったく逆の働きをする。
地表付近では熱を閉じ込める毛布のような役割を果たすのに、成層圏ではラジエーターのように熱を宇宙へ放出し、大気を冷やすのだ。
成層圏の気温は1980年代半ば以降、約2℃低下している。
これは人為的な二酸化炭素排出がなかった場合に予測される冷却量の10倍以上に相当する。この逆説的な現象は気候変動の「指紋」として長年認識されてきた。
実はこの成層圏冷却は、1960年代に日系アメリカ人の気候学者、真鍋淑郎博士がすでにモデルで予測していた。
真鍋博士はこの業績を含む気候モデルの研究により、2021年にノーベル物理学賞を受賞している。
予測から半世紀以上が経ち、観測でも事実として確認されてきたにもかかわらず、なぜそうなるのかという物理的な仕組みは長らく解明されないままだった。
二酸化炭素が赤外線を通じて熱を宇宙に放出していた
米ニューヨーク州コロンビア大学のラモント・ドハティ地球観測所のショーン・コーエン博士研究員を筆頭に、ロバート・ピンカス研究教授、コロンビア工学部のロレンツォ・ポルヴァーニ教授ら研究チームは、二酸化炭素と赤外線の関係に着目した。
赤外線とは目には見えないが熱として感じられる光の一種で、地球が宇宙へ放出する熱エネルギーの主な形態でもある。
二酸化炭素はすべての赤外線波長を同じように扱うわけではなく、波長によって吸収・放出の効率が大きく異なる。
研究チームは、赤外線の中に特に効率よく宇宙への熱放出に寄与する「ちょうどよい波長帯」が存在することを突き止めた。
大気中の二酸化炭素濃度が上がるにつれ、この波長帯は広がり、成層圏から宇宙へ逃げる熱の量が増える。
これが成層圏冷却の核心的なメカニズムだとチームは結論づけた。
研究チームはさらに、オゾンや水蒸気も成層圏冷却に関わることを確認したが、二酸化炭素と比べるとその影響は小さいことも定量的に示した。
チームが導き出した方程式は、成層圏の高度が上がるほど冷却が強まること、二酸化炭素濃度が2倍になるごとに成層圏上端の気温が約8℃低下することなど、実際の観測データとも一致した。
冷えた成層圏が地表の温暖化を強める理由
成層圏の冷却は、地球全体の熱収支に影響を与える連鎖反応を引き起こす。
二酸化炭素が増えると成層圏はより効率よく熱を宇宙へ放出し、冷却が進む。
しかし成層圏が冷えると、成層圏自体が放出できる赤外線エネルギーの量が減る。
冷たい物体は熱い物体より少ないエネルギーしか放射できないという物理法則があるためだ。
結果として地球全体から宇宙へ逃げる熱の総量は減り、地表付近に蓄積される熱が増える。
二酸化炭素は成層圏を冷やすことで一時的に熱を宇宙へ逃がしているように見えて、最終的には地球全体の温暖化をさらに強める方向に働く。
上空の冷却と地表の温暖化は切り離された現象ではなく、同じメカニズムの表と裏だった。
成層圏冷却メカニズムが気候や惑星の大気研究に役立つ可能性
コーエン氏とピンカス氏は、この研究の意義は地球温暖化の証拠をさらに積み上げることよりも、成層圏冷却のメカニズムを初めて定量的に理解できたことにあると強調する。
「何が本質的に重要なのかを教えてくれる発見だ」とピンカス氏は述べており、今後の気候研究の精度向上に貢献することが期待される。
さらにこの知見は、地球の外にも応用できる可能性がある。
太陽系内の他の惑星や、太陽系の外に存在する系外惑星の大気にも成層圏に相当する層が存在する。
二酸化炭素と赤外線の相互作用という今回解明されたメカニズムは、それらの惑星で何が起きているかを理解する手がかりになりうるとコーエン氏は指摘する。
まとめ
この研究でわかったこと
- 二酸化炭素は地表では熱を閉じ込めて温暖化を引き起こすが、上空の成層圏では逆に熱を宇宙へ放出して大気を冷やす
- 成層圏冷却の原因は、二酸化炭素が特定の赤外線波長帯を通じて熱を宇宙へ逃がす効率が変化するためだ
- 成層圏が冷えるほど宇宙へ逃げる熱が減り、結果的に地表の温暖化がさらに強まる
身近な例に例えるなら？ 毛布を何枚も重ねると、体から出た熱が外に逃げにくくなって体温が上がる。これが地表付近での二酸化炭素の働きだ。一方、毛布の外側の表面は冷たくなる。成層圏での二酸化炭素はこの「毛布の外側」にあたり、熱を宇宙へ放出して冷える。しかし外側が冷えるほど放出できる熱の量が減るため、毛布の中はさらに温まる。
今後の課題
- 今回解明されたメカニズムが、太陽系の他の惑星や系外惑星の大気でも同様に機能するかどうかの検証
References: Stratospheric cooling and amplification of radiative forcing with rising carbon dioxide［https://www.nature.com/articles/s41561-026-01965-8］ / A new study explains how carbon dioxide cools the upper atmosphere—and warms earth below［https://www.eurekalert.org/news-releases/1127369］
