空氣中的二氧化碳，為什麼每年5月最多？
― 有人在夏威夷的山頂上，持續測量著地球的「呼吸」
空氣中的二氧化碳，並不是一整年都維持相同的量。每年5月左右最多，10月左右最少。這是因為北半球的森林與草原，夏天吸收、冬天吐出二氧化碳。最早測出這個「地球的呼吸」的，是一位年輕研究者親手打造的裝置。
在新聞上聽到「二氧化碳濃度創下歷史新高」，總覺得不知為何多是在春天到初夏之間。
到了秋天，卻很少聽到這種消息。但二氧化碳的排放量，應該不會只在秋天突然減少。
其實這並不是錯覺。空氣本身，每年都在以相同的節奏「增加、減少」地循環著。
5月多、10月少，理由只有兩個
春天葉子展開後，植物會透過光合作用大量吸收二氧化碳。從5月到9月，空氣中的含量會持續快速下降。
葉子落下後，吸收的作用幾乎停止。另一方面，分解落葉的微小生物與菌類，冬天也會持續排放二氧化碳。
而且，大部分陸地都位於北半球。因此地球整體的呼吸節奏，會跟著北半球的季節變動。讓我們從最早確認這件事的人開始說起。
住在帳篷裡測量空氣的年輕人
1950年代初期，還沒有人能準確測量空氣中二氧化碳的含量。因測量者不同，數值也各不相同，一般認為會因地點與日期而有很大差異。
美國的年輕研究者查爾斯・凱林（Charles Keeling），親手組裝了一台能非常精確測量二氧化碳的裝置。據說大約在1955年，他在加州海邊的森林裡露營，每隔數小時就收集一瓶空氣樣本。
結果發現了一件奇妙的事。在森林附近，數值會在夜間上升、白天下降。但是通風良好的午後空氣，不論在哪裡測量，數值都幾乎一致。凱林因此認為，地球存在著一個還沒有人知道的「正常值」。
在夏威夷山頂看到的，緩慢的呼吸
要測量這個「正常值」，需要一個遠離森林與工廠的地方。被選中的地點，是太平洋正中央夏威夷島的毛納羅亞火山（Mauna Loa），海拔約3400公尺的觀測站。測量從1958年3月開始。
累積一年的資料後，數值朝春天逐漸上升，5月達到最高。接著到夏天逐漸下降，10月左右觸底，然後又開始上升。請移動圖1的滑桿，確認每月的變化。
凱林認為，這正是北半球植物夏天大量吸收二氧化碳的證據。山頂的空氣，混合了數千公里外大陸森林所吸收的部分，而且混合得很均勻。因此只靠一個觀測站，就能看到整個半球森林的呼吸。
呼吸的鋸齒，其實位於一路上升的斜坡上
持續測量後，又發現了另一件事。每年5月的高峰，都比前一年的5月稍微高一點。10月的低谷，也比前一年高。
請看圖2。在反覆呼吸形成的鋸齒狀起伏中，整體正逐漸攀升。1958年約為315 ppm 的數值，到2020年代已超過420 ppm。這是燃燒煤炭、石油等排放的二氧化碳，未能被森林與海洋完全吸收，殘留在空氣中的部分。
這張一路上升的圖，以他的名字命名為「凱林曲線」（Keeling Curve）。被視為最早清楚以數字證明人類活動正在改變空氣組成的記錄。
持續多年測量相同數值的研究，容易被認為「結果應該早就清楚了吧」，因而難以募得經費。據說毛納羅亞的觀測，也曾因資金不足而多次差點中止。正因為堅持下去，才能同時看見呼吸的鋸齒與整體的上升趨勢。凱林於2005年去世後，觀測仍持續進行。
南極點大約同一時期也開始進行測量，但季節性的起伏據稱非常小。這是因為南半球大部分是海洋，森林較少。相反地，在靠近北極圈、森林廣布的阿拉斯加，據報告起伏幅度是毛納羅亞的兩倍以上。
總結
空氣中的二氧化碳在5月最多，是因為北半球的植物在冬天停止吸收，只有分解產生的部分持續累積。到了葉片茂密的夏天，森林大量吸收，於是10月左右降到最低。陸地較多的北半球的節奏，形成了地球整體的呼吸。凱林最早在夏威夷的山頂上測出了這個現象。而同一份記錄，也顯示出在呼吸的鋸齒之外，空氣本身正逐年改變。
春天的空氣，正是因為冬天森林吐出的氣息最濃。
而在這呼吸之下，斜坡每年都略微升高一點。
關於海洋吸收二氧化碳的機制，請見「海洋在吸收二氧化碳 ― 然而之後呢？」；關於僅佔空氣0.04%的二氧化碳為何能改變氣溫的原因，請見「只佔空氣0.04%的二氧化碳，為什麼能改變氣溫？」。同樣地，南極一座小觀測站的記錄如何撼動世界的故事，請見「臭氧層破洞，為什麼比人工衛星更早在南極的小觀測站被發現？」。
- 打開日本氣象廳「二氧化碳濃度歷年變化」的網頁，查看岩手縣綾里等日本國內觀測點的每月圖表。
- 找出一年中數值最高與最低的月份。應該會和毛納羅亞一樣，春天高、夏末到秋天低。
- 記下附近公園樹木發芽與落葉的日期。再和圖表開始下降、開始上升的時期做比較。
觀測點越靠北，起伏幅度通常越大。也建議比較沖繩縣的與那國島和綾里的數據。
想了解更多的人 ― 用語、公式、與教科書的連結從國中理科到大學專業科目，皆明確標示程度
- 國中國中理科的學習範圍
- 高中高中「生物」「地球科學」「化學」的學習範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄程度的內容
- 大學高中不會學到，屬於大學專業科目（生態學・大氣化學・地球化學）的內容
- 研究即使在大學也未被當作「定論」教授，研究者目前仍在調查中的議題
國中用語：這個現象是有名字的
- 凱林曲線：自1958年起，毛納羅亞觀測站持續測量空氣中二氧化碳含量所繪製的圖表。
- 季節性變動：以一年為週期反覆出現的起伏。在毛納羅亞，5月最高、10月左右最低。
- 光合作用與呼吸・分解：植物吸收二氧化碳的作用，與生物排放二氧化碳的作用。何者佔優勢會隨季節改變。
國中高中用公式確認：夏天的森林到底吸收了多少碳
從毛納羅亞觀測到的一年起伏幅度，試著估算北半球植物在夏天淨吸收了多少碳。由於空氣混合得很均勻，只要將濃度變化乘以「空氣整體的粒子數」，就能得出增加或減少的碳量。
| 用符號表示 | ΔC ＝ Δx × ( M ÷ m ) × 12 |
| 用文字表示 | 減少的碳量 ＝ 濃度變化 × 空氣整體的物質量（大氣質量 ÷ 空氣1摩爾的質量）× 碳1摩爾的質量 |
| 公式的由來 | 就是物質量的概念本身。濃度表示「每百萬顆空氣粒子中有幾顆」，乘以空氣整體的粒子數，就得到二氧化碳的粒子數，而每1顆分子都含有1個碳原子。 |
| 符號的意義 | Δx 為濃度變化（單位 ppm）、M 為大氣整體質量（約5.1×10¹⁸ kg）、m 為空氣1摩爾的質量（約0.029 kg）、12 為碳1摩爾的質量（公克） |
| 依上式計算出每1 ppm 相當於 | 碳 約21億噸 |
| 毛納羅亞一年的起伏幅度 | 約6 ppm |
| 二氧化碳的重量是碳重量的 | 44 ÷ 12 即 約3.67倍 |
| 人類每年因化石燃料等排放的二氧化碳 | 約370億噸 |
| 1958年與2024年左右的數值 | 約315 ppm 與 約420 ppm（相差66年） |
| 夏天減少的碳量（億噸） | 6 × 21 ＝ 126 |
| 換算成二氧化碳的重量（億噸） | 126 × 3.67 ≒ 462 |
| 與人類每年排放量比較（倍） | 462 ÷ 370 ≒ 1.25 |
| 66年間增加的濃度（ppm） | 420 − 315 ＝ 105 |
| 每年平均增加量（ppm） | 105 ÷ 66 ≒ 1.6 |
僅從毛納羅亞的起伏幅度計算，夏天北半球的植物淨吸收了約462億噸的二氧化碳，規模超過人類每年的排放量。不過，從秋天到冬天，幾乎同等的量又會被吐回空氣中。呼吸每年的淨值幾乎為零，真正推高斜坡的是人類排放的部分。此外，實際植物的吸收量遠大於此，這裡看到的只是「吸收」與「吐出」之間的差值。
高中高中＋為什麼是北半球主導，為什麼是5月
高中植物的光合作用量減去呼吸量，稱為「淨生產量」，再減去落葉與土壤分解所釋放的量，則稱為「生態系淨生產量」。冬天光合作用幾乎停止，只有分解持續進行，因此這個數值會轉為負值。直到春天葉片展開轉為正值之前，二氧化碳會持續累積。因此最高點會出現在春末的5月。
高中＋地球陸地約有三分之二位於北半球。南半球的季節相反，理應互相抵消，但由於北方森林的量遠遠超過南方，因此北方的節奏得以保留。此外，空氣在南北半球之間混合約需一年時間，因此南半球觀測點的起伏會被進一步平滑，顯得更小。
大學高精度測量的機制與碳循環
凱林使用能精確測量氣體體積與壓力的「氣壓計」（manometer）來確定二氧化碳含量，並以此為基準校正「非分散式紅外線吸收法」分析儀。這是利用二氧化碳會吸收特定波長紅外線的性質的方法。測得的數值，成為估算大氣、海洋、陸地生態系統之間碳交換的「碳循環」的基礎。人類排放的二氧化碳中，殘留在空氣中的比例稱為「大氣殘留率」，約為一半。
📖 公式推導與更深入的內容：凱林曲線（維基百科，日文） ／ 碳循環（維基百科，日文）
研究目前尚未完全明朗的事
- 呼吸起伏幅度正在擴大的原因。 據報告，北半球高緯度地區的季節性起伏幅度，比1960年代更大。究竟是北方森林生長期變長，還是農地產量增加所致，各自的佔比仍在討論中。
- 森林與海洋會持續吸收到什麼時候。 目前森林與海洋吸收了人類排放量的大約一半。隨著暖化加劇，這個比例是否會下降，是未來預測中最不確定的部分之一。
- 每年增加幅度的差異。 厄爾尼諾現象發生的年份，空氣中二氧化碳的增加速度往往較快。熱帶森林的乾旱與野火究竟造成多大影響，詳細的成因仍在調查之中。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。單一觀測站的記錄，至今仍不斷產生新的問題。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科「植物的構造與功能」「自然與人類」 | 光合作用與呼吸、分解者的作用 |
| 高中 | 生物基礎「生態系與物質循環」、化學基礎「物質量」 | 淨生產量、用公式確認 |
| 高中＋ | 地球科學「大氣運動」 | 南北起伏幅度不同的原因 |
| 大學 | 大氣化學・生態學・地球化學 | 紅外線吸收測量法、碳循環、大氣殘留率 |
| 研究 | 地球系統科學 | 季節起伏幅度的擴大、未來吸收能力 |
| ― | 與生活的連結 | 春天「歷史新高」新聞較多的原因、身邊樹木的發芽與落葉 |
- 日本氣象廳（気象庁）「二氧化碳濃度歷年變化」
- 美國國家海洋大氣總署（NOAA）全球監測研究所「Trends in Atmospheric Carbon Dioxide」
- 史克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）「The Keeling Curve」
- Keeling, C. D. (1960). The concentration and isotopic abundances of carbon dioxide in the atmosphere. Tellus, 12(2), 200–203.
- Keeling, C. D. (1998). Rewards and penalties of monitoring the Earth. Annual Review of Energy and the Environment, 23, 25–82.
※本文為大眾科學解說。文中數值為幫助理解機制的參考估算值。圖中曲線為依觀測數據趨勢繪製的大致形狀，實際每月數值請參閱日本氣象廳或美國國家海洋大氣總署（NOAA）公開的資料。