スモッグ、酸性雨、そしてオゾンホール:汚染の化学

1962年の春、メリーランド州シルバースプリングの森に囲まれた家で、レイチェル・カーソンという海洋生物学者が書斎の机に向かっていた。机の吸取紙の上には原稿が置かれ、その傍らには猛禽類の減少を調査した野外記録が積み上げられていた。その本は『沈黙の春』と題され、ほぼ完成しかけていた。カーソンは何年もかけて、小さく散らばった観察事実を積み重ねて一つの論を組み立ててきた。農薬散布の運動のあとに死んでいく鳥たち、巣立ちに失敗する巣、母鳥が抱卵する重みで割れてしまう卵。それから五か月後、ホートン・ミフリン社が1962年9月27日にこの本を出版したとき、そうした散らばっていた観察は一つの公的な議論となり、汚染の化学は一般の人々が名指しし、考えることのできるものになった。

カーソンが理解していたこと、そして彼女がほかのすべての人に理解させたことは、汚染は漠然としたものではないということだった。それは産業に対する漠然とした嫌悪感の霧などではない。それは特定の濃度における特定の分子であり、生体組織や大気に対して特定の作用を、測定可能な時間スケールで及ぼすものである。本稿では、汚染の代表的な化学をたどっていく。ロンドンを窒息させたスモッグ、雨となって降った酸、オゾン層に穴を穿った塩素原子、そしてまったく分解しようとしない新しいフッ素化合物。これらはいずれも、日付と数値をともなった現実の化学の物語であり、それらを合わせて見れば、なぜこれほど多くの環境法が二十世紀後半に書かれたのかが見えてくる。

ある農薬が食物連鎖を登っていったしくみ

『沈黙の春』の中心にあった化学物質はDDTであった。これは第二次世界大戦後、蚊や農作物の害虫を駆除するために広く散布された合成殺虫剤である。DDTそれ自体は、昆虫に対してほど鳥に対して急性の毒性をもつわけではない。カーソンが記録した問題は、もっと巧妙で、ある意味でもっと不安をかき立てるものだった。DDTは脂溶性で化学的に安定しているため、生物の体からすばやく排出されることもなく、環境中で容易に分解されることもない。小さな魚がその痕跡量を吸収すると、その化合物は脂肪組織に蓄えられ、そこにとどまる。より大きな魚が多くの小魚を食べると、それらすべての負荷が合算されて蓄積されていく。食物連鎖の頂点にいる魚食性の猛禽類が、何季節にもわたって多くの大きな魚を食べ終えるころには、その組織内の濃度は、水や土壌に存在するどんな量よりもはるかに高くなっている。

これが生物濃縮と呼ばれる過程であり、猛禽類にとってその帰結は繁殖失敗の化学だった。DDTとその分解産物は、メスがカルシウムを卵殻に沈着させるしくみを妨げ、抱卵に耐えられないほど薄い殻をつくらせた。ワシ、ミサゴ、ハヤブサの個体群が崩壊したのは、ただ一回の劇的な毒殺によってではなく、食物網全体に広がったゆっくりとした収支の破綻によってであった。この論はきわめて強力であり、1970年にアメリカ合衆国環境保護庁が設立されたとき、その初期の象徴的な行動の一つが、1972年6月14日にDDTのほとんどの用途を禁止することだった。

オゾン層を食い尽くした触媒

『沈黙の春』から十年後、カリフォルニア大学の二人の化学者が、同じ種類の慎重な推論を上層大気に向けた。1974年にネイチャー誌に発表した論文で、マリオ・モリーナとF・シャーウッド・ローランドは、クロロフルオロカーボン、すなわち当時は不活性で不燃性、無毒な気体として冷蔵庫やエアゾール缶、発泡剤に珍重されていたCFCについて、一見すると単純な問いを投げかけた。CFCをこれほど有用にしているまさにその安定性こそが危険なのだ、と彼らは論じた。これらの分子は地上では何とも反応しないので、地上ではそれを破壊するものが何もない。それらは何年もかけて、ただ漂い、成層圏までずっと上昇していくのである。

天候が起こる場所のはるか上、成層圏の高みでは、大気は十分に薄く、強烈な紫外線が漂うCFC分子に届いて、ついには光分解によってそれらを引き裂き、塩素原子をはじき出す。そして遊離した塩素原子は、一度きりの毒ではない。それは触媒なのである。塩素原子はオゾン分子と反応し、酸素原子を一つ奪って一酸化塩素を生成し、あとに通常の二原子酸素を残す。その一酸化塩素は次に遊離酸素原子と反応し、塩素を放出して同じことをもう一度はじめさせる。塩素は一つの段階で消費され、次の段階で再生されるので、生き残って何度も何度もオゾンを攻撃する。モリーナとローランドは、たった一個の塩素原子が、別の反応によって最終的にこの循環から取り除かれるまでに、10万個もの桁のオゾン分子を破壊しうると見積もった。オゾンが重要なのは、成層圏のオゾン層が太陽の紫外線、すなわちDNAを傷つけ皮膚がんを引き起こす波長帯の多くを吸収するからであり、その層が薄くなることは抽象的な損失などではない。

ロンドンが息のできなかった五日間

オゾンの破壊が、何十年もの時間と何キロメートルもの高度にわたって展開する、ゆっくりとした目に見えない化学だったとすれば、1952年12月のロンドンの大スモッグはその激しい正反対であり、地上の高さで一週間のうちに数千人の命を奪った化学だった。12月5日から12月9日にかけて、停滞した高気圧、すなわち移動性高気圧が街の上空に居座り、気温の逆転をもたらした。通常、空気は高さとともに冷たくなるので、暖かい地表の空気は上昇して汚染物質を運び去る。逆転が起きると、暖かい空気の層が地表近くの冷たい空気の上にのっかってふたのように働き、その下で排出されるすべてを閉じ込めてしまう。

12月初旬の寒さのなかでロンドンが排出していたのは、家庭や発電所での何十万もの石炭火がもたらす産物だった。石炭の燃焼は、二酸化硫黄とともに、不完全燃焼によるすすや灰である微細な粒子状物質を放出する。逆転のふたの下で、それを散らす風もなく、二酸化硫黄と粒子状物質はとてつもない濃度に達し、その二つが合わさって、濃く酸性の黄黒い霧を形づくった。二酸化硫黄は霧の湿気のなかで酸化して硫酸の液滴をつくり、人々はそれを直接肺に吸い込んだ。死者数は当初およそ4,000人と推定されたが、のちの分析でその数は大幅に上方修正され、その後の数週間から数か月のうちにおよそ12,000人の超過死亡があったとされた。この災害は1956年のイギリスの大気浄化法の直接の原因となり、大気汚染がありふれた、よく理解された化学によって人を殺すということを示す、最も明白な実例の一つであり続けている。

雨そのものが酸性に変わるとき

ロンドンを毒した同じ二つの化合物の系統、すなわち硫黄酸化物と窒素酸化物は、酸性雨の源でもあり、両者を結びつける化学ははっきりと述べておく価値がある。なぜならそれは、一本の煙突を何百マイルも風下の死にゆく森と結びつけるからである。石炭や石油を燃やすと二酸化硫黄が放出され、エンジンや炉の高温で何かを燃やすと、空気中の窒素と酸素そのものから窒素酸化物が生じる。ひとたび上空に達すると、これらの気体は酸素や水蒸気と反応して硫酸と硝酸を形づくり、それらは雲の液滴に溶け込み、自然の降水よりはるかに低いpHをもつ雨や雪、霧となって降ってくる。

酸性雨はその害を遠く離れた場所で及ぼす。その酸性は森林の土壌から養分を奪い、有毒なアルミニウムを溶け出させ、湖や川を酸性化して魚の個体群が崩壊するまでに至らせ、石灰岩や大理石でできた建物や彫像をゆっくりと溶かしていく。排出物は降る前に国境を越えて移動するため、酸性雨は、単一の都市はおろか単一の国でさえも一国だけでは解決できない、最初の汚染問題の一つとなった。それは、1990年にアメリカの大気浄化法に大きな改正をもたらし、ヨーロッパ全土で同様の行動を促した理由の一部でもある。

実際に機能した条約

オゾンの物語には、めずらしく希望に満ちた結末があり、その理由を理解しておく価値がある。モリーナとローランドの警告ののち、そして1980年代半ばにイギリスの科学者たちが南極上空でオゾンの劇的な季節的減少、いわゆるオゾンホールを測定したのち、各国政府はまれなことをやってのけた。最悪の事態が訪れる前に、その化学にもとづいて行動したのである。オゾン層を破壊する物質に関するモントリオール議定書は、1987年9月16日に署名のために開放され、1989年1月1日に発効した。それは各国にCFCおよび関連するオゾン破壊物質の段階的廃止を約束させ、その後の数十年にわたっておおむね成功を収め、オゾン層はいまや少しずつ回復しつつある。

この条約の背後にある推論については、正確であることが大切だ。なぜなら、その歴史はしばしばぼかされてしまうからである。モントリオール議定書が署名されたのは、まさにCFCが触媒的に成層圏のオゾンを破壊するからであった。CFCが同時に強力な温室効果ガスでもあり、気候強制力に寄与しているという事実は、のちに焦点となった別の懸念であった。この条約の強みは、それが単一の、確立され定量化可能な化学的機構の上に立っていたこと、そしてCFCの代替物が技術的に実現可能だったことにあった。明確な分子レベルの原因と実行可能な代替物、その組み合わせこそが、これをこれまでに書かれた最も効果的な環境協定の一つにしたのである。

決して切れない結合

汚染の化学の最も新しい一章は、皮肉なことに、安定すぎるように設計された化合物にかかわる。ペルフルオロアルキルおよびポリフルオロアルキル化合物、総称してPFASとして知られるものは、通常炭素に結合している水素原子がフッ素に置き換えられた有機分子である。デュポン社は1938年にこの一族の有名な一員であるテフロンを商業化し、その後この化学は、こびりつかないコーティング、防水生地、食品包装、消火用泡へと広がっていった。その有用さの源であり、それらがもたらす問題の源でもあるのは、たった一本の結合である。炭素とフッ素の結合は、およそ1モルあたり485キロジュールで、有機化学において最も強い単結合なのである。

その結合の強さこそが、PFASが「永遠の化学物質」という異名を得た理由である。それらは水中で加水分解せず、酸化に抵抗し、微生物は環境的に意味のあるどんな時間スケールでもそれらを生分解できない。だから、ひとたび放出されると何年も残り続け、土壌、水、そして生体内に蓄積していく。PFASとならんで、ほかの二つの現代的な種類が、現在の全体像を完成させている。直径2.5マイクロメートル未満の微小粒子状物質、PM2.5と記されるものは、肺の肺胞の奥深くまで入り込み、血流へと移行できるほど小さく、世界保健機関はこの種の大気汚染を毎年数百万件の早すぎる死と結びつけている。直径5ミリメートル未満のマイクロプラスチックの破片は、高分子廃棄物の分解によって生じるもので、まだその性質が解明されつつあるさらに新しい物語であり、そこでは中心的な科学的作業が、その影響についてであると同時に、いかに曝露を測定するかについてのものでもある。2023年までに、EPAをはじめとする規制当局は、DDTにはじまったのと同じ規制の論理を現在へと延長して、PFASの飲料水基準を提案しはじめていた。

要点のまとめ

汚染の化学は、産業に対する漠然とした告発などではなく、精密で、日付をもち、定量的な学問であり、その精密さこそが規制を可能にするものである。それは1962年のレイチェル・カーソンの『沈黙の春』にはじまる。同書はDDTが食物連鎖を登っていく生物濃縮と、それにつづく卵殻の薄化を暴き、1972年のアメリカのDDT禁止へとつながった。さらに、紫外線によってCFCから解き放たれたたった一個の塩素原子が、触媒的におよそ10万個のオゾン分子を破壊しうることを示した1974年のモリーナ=ローランドの論文を経て、それは1987年のモントリオール議定書へと至った。それとならんで、1952年12月のロンドンの大スモッグがあり、そこでは気温の逆転が石炭由来の二酸化硫黄と粒子状物質を閉じ込め、およそ12,000人の超過死亡を引き起こした。同じ酸化物が別の場所では酸性雨となって降り、1970年と1990年の大気浄化法を推し進めた。そして今日の根強い問題へと続いていく。決して切れようとしないおよそ1モルあたり485キロジュールのPFASの炭素・フッ素結合、肺の最も深い組織にまで達するPM2.5粒子、そしていまなお測定されつつあるマイクロプラスチック。いずれの場合も教訓は同じである。分子も、用量も、残留時間も、知ることができるのであり、過去七十年の条約や法律は、まさにその「知りうること」の上に全面的に立っているのである。