気候システム論 (補足)

太陽活動の気候への影響

【このページは2007年に書いてから細かい修正をしただけなので、 情報が最新でない。しかしわたしの考えは基本的に変わっていない。】

地球の気候の変動の要因として、そのエネルギー源である太陽の変動は もちろん重要である。

【この問題に関しては、FOUKALほか (2006)のレビュー論文が出された。 教科書的な本としては、気象学者によるBENESTAD (2002, 2006)、 HAIGH & CARGILL (2015), 天体物理学者によるHOYT & SCHATTEN (1997)などがある。】

太陽の変動から地球の気候への影響のしかたとして、大きく次の3つが あげられている。

  1. 太陽からくる電磁波のエネルギーの総量、つまり「太陽定数」が変化するので、 地球が(主として海・陸の表層が)吸収するエネルギー量が変わる。
  2. 紫外線部分のエネルギー量が変化するので、 成層圏のオゾン層で吸収されるエネルギー量が変わる。
  3. 太陽の磁場の変化により、太陽系の外からくる高エネルギー粒子(いわゆる宇宙線)が地球に達する量が増減する。 宇宙線は大気の分子の一部を電離させ、電離してできたイオンがあると雲ができやすくなる。したがって宇宙線の変動に伴って雲が変動する。

太陽活動とエネルギーの変化

太陽の変動の指標のひとつとして黒点数がある。 これは、太陽の表面に見られる暗い部分である「黒点」を、 ある約束にしたがって数えたものである。 これは約11年周期で変動しているとともに、 17世紀にはほとんどゼロであり (この時期はMAUNDER極小期と呼ばれる)、 19世紀初めにも比較的少なかったなど、長期的変化もある。 黒点の変化は太陽の磁場の変化に関連していることが知られている。 (黒点周期ごとに磁場の向きは逆転するので磁場の変化の周期は約22年である。)

太陽からくる電磁波のエネルギーは、 太陽・地球間の平均距離で太陽に正面を向けた面に達する 単位面積・単位時間あたりのエネルギー量、いわゆる「太陽定数」で 代表させることが多い。 その信頼できる観測があるのは、1978年以後の30年間弱である。 黒点がまわりより暗いことなどを反映した太陽の自転に伴う変化もあるが、 それをならしてみると、黒点と同じ約11年周期で、±1 W/m2 (太陽エネルギー自体の±0.1%)程度の変動がある [「太陽定数」(地球の放射収支)のページ参照]。 この周期では黒点が多いほうがエネルギーも多い傾向がある。 黒点の多いときは太陽の表面付近の対流が活発であり、白斑と呼ばれる 明るい部分も多いからだと説明されている。

他方、地球史46億年の時間スケールでは、 理論的考察から、 核融合反応によって太陽の組成や体積などが変わること(いわゆる太陽の進化)に よって、太陽の出す電磁波のエネルギー量はしだいに増加したと考えられている [地球環境の歴史のページ参照]

この中間の時間スケールでの太陽からのエネルギーの変化は 直接的にはわかっていない。 しかし、最近の黒点数と「太陽定数」との関係が過去にも適用可能だとすれば、 17世紀以後については黒点の観測から推定することができる。 ただし、MAUNDER極小期のように黒点がみられない状態が続いたときの 「太陽定数」が11年周期の極小期と同じか、もっと小さかったかは意見がわかれる。

エネルギー量と関係づけることはむずかしいが、 最近数万年間の太陽活動の指標としては、 炭素14(および、説明を省略するが、ベリリウム10)という放射性同位体が使われる。 炭素14は空気中の窒素14に宇宙線粒子が衝突することによって生成され、 半減期約5760年で崩壊する。 これは年代測定に使われている。 炭素14の時間あたり生成量を仮に一定として計算した年代を、 最近約1万年間については木の年輪、 その前の約3万年間についてはウラン・トリウム系列の放射性同位体による年代と 比較することにより、 生成量の変動がわかってきた。 これは、太陽磁場が強いと、宇宙線が地球に達するのを妨げるので、 炭素14の生成が少なくなる、という関係で、太陽活動を反映していると考えられている。 ただし、地球磁場の変動の影響も受けており、分離するのはむずかしい。

太陽活動から気候への影響

(1) 太陽からくる電磁波のエネルギーの総量

この効果は、気候の数値モデルで評価されている。 「太陽定数」の±1 W/m2程度の変化は、 全球平均気温について0.1℃の桁の変動を起こしているだろうと考えられる。

温暖化の話題の本文で紹介した IPCC第1部会の第4次報告書(2007年)では、 1750年から2000年までの地上気温の変化の要因を見積もっており、 このうち太陽の効果をある正の値と評価している。 (放射フラックスの差として、0.12 W/m2を中心として 0.06から0.30 W/m2としている。 仮に簡単なモデルで定常状態の気候の温度差に換算すると、およそ0.03〜0.15 Kになる。) この見積もりは、第3次報告書(2001年)の値の約半分以下になっている。 太陽活動に関する科学的認識の進展を反映したものだが、 まだ信頼度はあまり高くない。

最近約30年間の「太陽定数」には明確な増加(あるいは減少)の傾向は見られない。 この期間には全球平均地上気温は上昇しているが、 これを太陽で説明すること、少なくとも(1)の効果で説明することはできない (FOUKALほか, 2006)。

(2) 成層圏で吸収される紫外線部分のエネルギー量

この効果は定量的にはまだよくわかっていないが、 現在、気候モデルの改良では成層圏のシミュレーションの改善に重点がおかれている ので、解明が進むと期待される。

紫外線部分だけをとると、 約11年周期の変動の振幅はエネルギー量の約3%に達する。 この大部分は成層圏のオゾンに吸収されるので、 その層での加熱の分布を変え、空気の温度、したがって密度をも変える。 その結果、成層圏の大気の循環に影響を与えると考えられる。 (また、オゾンやそれと反応する いくつかの大気の化学成分の量にも影響を与えているはずだ。)

実際、成層圏の大規模な循環に関する解析で 太陽活動の約11年周期に伴う変動が見つかっている (LABITZKE、小寺などの仕事がある)。 ただし、成層圏には準2年(約26か月)周期変動をはじめとして いろいろな自然変動が重なっているため、現象はかなり複雑で、 11年周期だけが独立して見えているわけではない。

成層圏の変化が対流圏に影響を与えるしくみとしては、 地表面あるいは対流圏で励起される大気中の大規模な力学的な波が、 成層圏の温度分布によって、上に抜けることができたりできなかったりする、 ということがある。 波が対流圏内を横に伝われば、気圧の谷・峰の分布が変わり、 雲・降水の分布にも影響を与える可能性がある。

対流圏のデータ解析により、 OGI(=小木)ほか(2004)は、 北半球の緯度円に平行な環状の変動(北極振動と呼ばれることが多い)が 太陽活動の活発な時期には冬から夏に続きやすいと述べている。 また、CAMP & TUNG (2007)は、 経度について平均した緯度ごとの気温と太陽活動との関係に注目したデータ解析を行ない、 太陽活動の約11年周期に対する気温の応答の大きい緯度帯と小さい緯度帯が交互にある ことを示している。 これらの研究は因果関係を論証するものではないが、 環状の構造の維持には大気中の波動伝搬が関与していることが示唆される。

(2)の効果の1750年から2000年までの平均地上気温への寄与の見積もりは まだ得られておらず、正負の符号も不明と思われる。

(3) 宇宙線と雲を介したしくみ

宇宙線によって雲量が変化するという説は、 デンマークのSVENSMARKと FRIIS-CHRISTENSENが 1997年に述べた。 かつて宇宙線の検出に使われたWILSONの霧箱の原理では、 宇宙線によって大気の分子が電離し、イオンが水蒸気の凝結の核になる。 SVENSMARKの考えは少し違い、 イオンがきっかけとなって、硫酸液滴などのエーロゾル粒子がつくられ それが凝結の核となるという考えである。 しかし、現実の大気中にはふつうエーロゾル粒子があるので、 宇宙線によって凝結核が多少ふえても雲のできかたはあまり変わらないのではないか と、多くの気象学者は見ている。 SVENSMARKたちは宇宙線から雲凝結核となるエーロゾルへの 効果を調べる室内実験を行なってはいるが、 それが全球規模の気候に影響を及ぼすという主張は依然としてデータの相関に 基づくものであって、メカニズムに基づく定量的見積もりには至っていない。 さらに、雲の変動に関する観測データに関しては、 あるデータセット(「ISCCP」、衛星観測を編集したもの)と 他のデータセット(「EECRA」、地上観測を編集したもの)とで 全地球規模の雲量(とくに下層雲量)の十数年間の変化を比べると お互いにあまり似ておらず、観測データの質に疑問がある (NORRIS, 2000, 2008)。 また、雲に11年周期変動があるとしても、 (1)や(2)でなく(3)のプロセスが働いているとは言い切れない。

このしくみは、 最近の温暖化の原因がCO2であることを疑う人に注目されている。 参考文献にあげた伊藤(2003)や桜井(2003)も、CO2を要因として否定は しないものの、太陽も重要ではないかという態度で取り上げている。 しかし、20世紀の後半の50年間に、 宇宙線強度には明確な増加や減少の傾向はないので、 この期間の気温の上昇傾向はこれで説明することはできない (LOCKWOOD & FRÖHLICH, 2007)。

その他

太陽からくる荷電粒子(太陽風)の変動は、高層(熱圏)の大気に大きな影響を 与えていることは確かである。 下層(対流圏)の大気にも影響を与えていることはありうるが、 今のところ明確な因果関係は知られていない。 また、観測事実からはこのしくみを(2)あるいは(3)と分離して認識することは 困難である。

文献


2007-06-18; 更新 2008-07-29, 2009-04-02..12, 2010-10-23..28, 2014-07-10, 2016-10-14
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
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