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この章は、大気汚染の地球規模の問題に着目する。(個人的には、クリスマス時期の大きな百貨店の香水売り場を大気汚染の究極だと考えているが、私はここでは議論しない)。私はあなたに大気汚染に関わる化学的な問題を示し、そして私はどのように大気汚染が現代社会とそのエネルギーと人の輸送に対する要求に関連しているかを説明する。

地球を取り囲む空気、つまり大気は、生命にとって絶対に必要である。大気は、呼吸のための酸素（O₂）と、生物たち（主に植物）が光エネルギーを化学エネルギーに変換する過程である光合成のための二酸化炭素（CO₂）を供給する、それは地球の温度を和らげ、生命を維持する循環の多くでに積極的な役割を果たす。大気は、地球上で起こる、あるいは存在する多くの化学反応による影響を受ける。

地球上に人類がほとんどいなかった時は、大気に対する人類の影響は無視できた。しかし、世界の人口が増加するにつれ、大気に対する文明の影響はますます重要になった。大規模で集中させられた工業用地の建設を引き起こした産業革命は、大気に対する人間の影響を非常に重要なものとした。

人々より多くのが化石燃料（地下の堆積物中に見つかり、そしてエネルギー源として利用される石炭などの有機物）を燃やすにつれて、大気中の二酸化炭素（CO₂）と大気中の微粒子（空気中に浮遊している小さな固体粒子）の量が著しく増加した。

産業革命後、人々はまた、大気中に化学汚染物質を放出し、ヘアスプレーやエアコンなどを含むより多くの道具を使い始めた。

CO₂と微粒子の増加は、汚染物質の増加と結びつけられ、大気中の繊細な均衡を崩した。これらの大気汚染物質の高い濃度は生物、建物、彫像に被害を与える酸性雨である酸性沈着や、よくロサンゼルスやその他の都市で発生する茶色く刺激的なもやである光化学スモッグなど、多くの問題を引き起こしている。

地球の大気はいくつかの層に分けられる、対流圏、成層圏、中間圏そして熱圏。私は地球に最も近い2つの層に注目したい、つまり対流圏と成層圏である。なぜならそれらは、人々によって最も影響を及ぼされた層だからである。また、それらは人々の生活に直接大きな影響を与える層である。

対流圏は地表の隣にあり、あなたが呼吸し、生存のために依存する気体を含んでいる。対流圏は、約78.1パーセントの窒素（N2）、20.9パーセントの酸素（O₂）、0.9パーセントのアルゴン（Ar）、0.03パーセントの二酸化炭素（CO₂）、および、より少量の様々なガスで構成されている。

対流圏にはまた、さまざまな量の水蒸気を含む。これらの気体は、重力によって地球に保持されている。もし気球乗りが対流圏まで高く昇ったならば、彼女は気体に対する重力による引力が減少するため、大気中の気体が非常に薄くなることに気づくだろう。この効果は、地球に強く保持されている気体の密集した層が、より汚染の影響からの危機に瀕していることを示している。

対流圏は天候が発生する層である。それはまた、地球に近接しているため、自然と人工の汚染の両方の影響をもろに受ける層でもある。自然は有る特定の範囲の大気を、火山からの有害な硫化水素（H₂S）や粒子状物質、そして、松などの植物からの有機化合物の放出によって、汚染している。

しかし、これらの汚染物質は対流圏にわずかな影響を有する。人類は一方、対流圏を自動車、発電所、産業から大量の化学物質で汚染している。酸性雨や光化学スモッグは、人工汚染物質の結果の一部である。

対流圏の上は成層圏であり、ジェット機や高高度気球が飛ぶ場所である。この層は重力の引力が小さくなるため、大気はとても薄い。重力が汚染物質をしっかりと地表近くに留めているため、ほんの僅かにより重い汚染物質しか成層圏に到達できない。

保護オゾン層は成層圏中に存在し、この保護障壁は太陽からの有害な紫外線（UV）を大量に吸収し、それを地球に到達することから引き留めている。

より重い汚染物質は成層圏に到達しないとしても、この層は人類の影響を受けないということはない。いくつかの軽い人工の気体は成層圏まで進み、そこでそれらは保護オゾン層を攻撃して破壊する。この破壊は人間に広範囲にわたる影響を与えることがある。なぜなら紫外線は皮膚ガンの主な原因であるからだ。

化学物質は善人にも悪人の両方になることがある。唯一の違いは、それがどこに、どのような濃度で存在するかである。例えば、人はたとえ十分な水を飲んでいても、過剰摂取することがある。成層圏のオゾンも同じ事がいえる。一方では有害な紫外線から私たちを保護する。しかしもう一方では、それは刺激物となり、ゴム製品を破壊することがある（詳細は「褐色の空気を吸う：光化学スモッグ」を見よ）。

オゾン層は、太陽から地球に届く紫外線のほぼ99％を吸収する。オゾン層は、日焼け、皮膚がん、白内障、皮膚の早期老化を含む、過度の紫外線の影響から私たちを保護する。オゾン層があるおかげで、私たちのほとんどは全身の保護なしで野外を楽しむことができる。

オゾン（O3）はどのようにして生成されるのか？成層圏と熱圏（宇宙空間に広がる層）の間の地球の大気圏部分である中間圏の酸素は、紫外線によって、反応性の高い酸素原子に分解される。これらの酸素原子は成層圏の酸素分子と結びついて、オゾンを形成する。

残念ながら、オゾン層は完璧な防御ではない。次の節では、オゾン層がどのように傷つけられているかを説明する。

社会として、人は多くの気体状化学物質を大気中に放出する。気体状化学物質の多くは、互いの反応を経て急速に分解する。あるいは、それらは大気中の水蒸気と反応して地面に降り落ち雨の中にある酸のような化合物を形成する。。酸性雨の形成に加えて、これらの化学物質の一部は光化学スモッグも形成する

しかし、これらの反応は幾分速く起こり、また人々は様々な方法でそれらに対処することができ、その多くは、大気中への危険な化学物質の放出を止めることで、汚染物質を生成する一連の反応をくい止めることと関係している。

ガス状化合物のいくつかの種類は不活性（不活性で反応性がない）であるため、それらは大気中に留まり、かなり長い間悪い影響を及ぼす。

厄介な化合物の種類の一つはクロロフルオロカーボンで、塩素、フッ素、炭素からなる気体化合物である。これらの化合物は一般にフロンと呼ばれている。

フロンらは比較的反応性が低いため、それらは冷蔵庫や自動車のエアコンの冷媒（フロン12）、発泡スチロールのようなプラスチックのための発泡剤、そしてヘアスプレーや脱臭剤のような民需品のエアゾール缶の噴霧剤として以前は広く使われていた。

その結果、それらは大量に大気中に放出された。長年にわたって、フロンは成層圏まで拡散しており、そしてそれらは今なお成層圏に被害を与えている。

フロンは地球に近いところではあまり反応しない(それらはかなり不活性である)が、ほとんどの科学者らは、フロンが大気中のオゾンと反応し、そしてその後成層圏内のオゾン層に害を及ぼすと確信している。

その反応は次のように起こります： 1.典型的なクロロフルオロカーボンであるCF₂Cl₂は紫外線と反応し、反応性の高い塩素原子が生成される。

反応活性な塩素原子は成層圏のオゾンと反応し、酸素ガス分子と塩素酸化物（CIO）を生成する。 この反応はオゾン層を破壊する。もしここで事態が停止すれば、問題は最小限になるだろう。

3.塩素酸化物（CIO）はその後、成層圏内の別の酸素原子と反応でき、酸素分子と塩素原子を生成する。新しく生成された酸素分子と塩素原子は、直ちにオゾン層を破壊する過程全体を開始するのにもう一度利用可能である。 従って、1つのフロン分子は、多くのオゾン分子を破壊する事が出来る過程を開始できる。

ほとんどの人が大気汚染物質について考えるとき、一酸化炭素、フロン、炭化水素のような化学物質について考える。さらに、動物の呼吸の生成物や植物が光合成の過程で使われる化合物である二酸化炭素も、もし異常なほど多量に存在すると、汚染物質とみなされることがある。

1970年代後半から1980年代初頭に、科学者たちは地球の平均気温が上昇していることに気づいた。彼らは、二酸化炭素（CO₂）と、フロン（CFC）、メタン（CH₄、炭化水素）、水蒸気（H₂O）などの他のいくつかのガスの増加が、温室効果（気体は、温室のガラスの壁や屋根とまさに同じ効果を提供する、そのため、この名前が付けられた：熱を逃がさない）と呼ばれる過程を経た、若干の温度上昇の原因であると決定した。その気体自体は温室効果ガスと呼ばれる。

温室効果がどのように機能するかは次の通りである。太陽からの放射が地球の大気中を通って進むとき、それは地球を照らし、陸地と水を加熱している。この太陽エネルギーの一部は、熱（赤外線）として大気中に送り返され（反射され）、大気中の特定の気体（CO₂、CH₄、H₂O、フロン）に吸収される。

これらの気体は、今度は大気を暖める。この過程は、地球と大気の温度を適度で比較的一定に保つのに役立ち、その結果、私たちは日々の劇的な温度変動を経験しない。したがって、一般的に温室効果は良いことであり、悪いことではない。

しかし、もし二酸化炭素やその他の温室効果ガスの過剰量があたりに漂っていると、過剰な熱が大気中に閉じ込められる。大気は熱くなり、繊細な地球の循環の多くを混乱に導いている。この過程は、一般的に地球温暖化または地球気候変動と呼ばれており、現在地球の大気で起こっている。

現代文明は、エネルギーを得るために化石燃料（石炭、天然ガス、石油）を燃やすことに依存している。人々は電気を作るために石炭や天然ガスを、内燃機関を動かすためにガソリンを、そして家庭を暖めるために天然ガス、石油、薪、石炭を燃やす。加えて、工業工程では熱を生産するために燃料を燃やす。

全てのこの化石燃料の燃焼の結果として、大気中の二酸化炭素濃度は、1960年の百万分の318(ppm)から2010年には388ppmに上昇した。(濃度の単位ppmについては第9章を参照）。過剰な二酸化炭素は、大気の平均温度の約0.5度上昇をもたらした。

大気の平均温度が0.5度上昇するというのは、たいしたことではないように聞こえるかもしれない。しかし、この地球温暖化の傾向は、世界のいくつかの生態系に深刻な影響を与えることがある。

気温の上昇は氷塊を溶かし、世界中の海面を上昇させることがある。e海水面の上昇は、沿岸陸地の損失をもたらすことがあり（ヒューストンはメキシコ湾に沈むかもしれない）、そしてより多くの人々を高潮（とてもひどい嵐の間に発生する、非常に損害を与える海水の突進）にさらされやすくさせることがある。

上昇した気温は、植物の成長模様に影響を与えることがある。 世界の熱帯地域は増加し、熱帯病の蔓延につながることがある。