2018年秋学期「地学」教材
2018年春学期「地学 II」第10回・11回教材をもとに更新作業中です。

グローバルな気候の変化

リンク先の大部分は、 [気候システム論教材]、 「用語補足」は 個人ブログの記事で、 おもに記事カテゴリー「気象むらの方言」と「バベルの塔の職人長屋」に入れたものです。

グローバルな気候の変化

人が直接体験するのはローカルな気候である。 観測もたいていはローカルなものであり、 グローバルな量、たとえば「世界平均地表温度」は、 多数のそれぞれローカルな観測を集めて推計されたものである。 人間社会が気候に適応するのも、ローカルな気候への適応であることが多い。

しかし、物理法則にもとづく理解や、将来の見通しをもつことについては、 グローバルな気候のほうが相対的にはあつかいやすく、ローカルな気候はむずかしい。 グローバルな気候の変化の原因としては、必ずというわけではないが、 気候システムのエネルギーの総量を変化させる作用を考えればよいだろう。 ローカルな気候の変化の原因としては、さらにつぎのものを考える必要がある。

気候システムのエネルギーの総量を変化させる要因は、 エネルギーの収入である太陽放射の吸収か、支出である地球放射の射出を変える要因である。

放射を変化させる要因のうち、気候システム内部の変量であり、 温度にともなって変動するものは、温度の変動に対して、フィードバックとしてきく。

太陽放射を変える

太陽放射の吸収量を変える要因としては次のものがある。

地球放射を変える ... 温室効果

地球放射に対する効果は、いわゆる温室効果である。 これは、赤外放射を吸収し射出する物質(温室効果物質)が多いと、 仮に地表面温度が同じとすれば、出ていく地球放射が小さくなる、という構造になっている。 いわば、「ふろおけモデル」の水の出口がつまりぎみになったことにあたる。 なお、放射を吸収する物質は同じ波長の放射を射出する物質でもあり、 吸収率は射出率(実際に射出する放射の黒体放射に対する比)にひとしい。 温室効果物質には次のものがある

(12月3日の授業では、ここまで話し、 [温室効果の基本]のページの最後にある 「ふろおけモデル」と地球放射の代表高さが変わるという簡略化による説明にとんだ。 ここから12月10日の授業であつかう予定。)

大気中の温室効果物質がふえると、地球放射の吸収・射出の回数がふえることによって、 地表面温度(あるいは地上気温)が高くなる。 このしくみは、現実を単純化して、「太陽放射に対しては透明、地球放射に対しては黒体と同じ」の 「ガラス板モデル」でデモンストレーションすることができる。 ただし、この議論は準定常状態をたもちながらゆっくり変化することを想定している。

鉛直1次元モデルによる温室効果の評価

温室効果物質の変化の効果の定量的評価は、 空間的な不均一を考慮しない 0 次元モデルでは困難だが、 鉛直分布だけを考慮する 1 次元モデルならばできることが、 真鍋 淑郎[まなべ しゅくろう]さんの1960年代の仕事によってわかった。

真鍋さんの1964年の論文では、 大気を鉛直に層にわけ、それぞれの層の温度がエネルギー収支によって変わるとし、 エネルギーを変化させる原因として放射の吸収・射出を考え、 大気成分量を現在の気候の代表値で与えた。 勝手な温度分布からモデル大気の温度分布の時間発展を計算すると、 300日くらいで、対流圏・成層圏の基本的温度分布が再現された。 ただし、放射だけでは、対流圏の温度減率が大きすぎる。 実際には対流によって温度減率が約 6.5℃/km になっているので、 エネルギー保存をみたしながら、温度減率がこれより大きいところはこの値になるように調節する。 これで対流圏・成層圏の現実的温度分布が再現された。

真鍋さんの1967年の論文では、同様なモデルで、大気成分の濃度を変えた。 水蒸気は、気温に応じて、相対湿度一定(つまり飽和比湿に比例)として変化させた。 二酸化炭素は外部条件として与え、300 ppmを標準として、その2倍や2分の1に変えた。

結果として、成層圏の温度は、二酸化炭素濃度が高いほど低くなる。 (CO2はglobal coolingをもたらす! ただし場所は成層圏。) 成層圏の大気のエネルギー収入は、オゾンによる太陽放射の紫外線部分の吸収、 支出は大気自体の宇宙空間への地球放射射出でその主役は二酸化炭素である。 二酸化炭素の増加は、成層圏にとっては、エネルギーの出口のあきをひろげるように働くのだ。

対流圏と地表面の温度は、二酸化炭素濃度が高いほど高くなる。 対流圏の気温減率を一定と仮定しているので、その範囲でどの高さをとっても差は同じ。 地上気温でいうと、二酸化炭素濃度が2倍のほうが、2.3℃だけ高くなった。

ただし、ここでは、水蒸気は、相対湿度一定、つまり、 比湿(=水蒸気の濃度)が温度で決まる飽和比湿に比例して変わる、と仮定した。 もし、水蒸気量が変わらないとすると、 二酸化炭素を2倍にしたときの定常状態どうしの温度差(「二酸化炭素倍増に対する定常応答」)は、 相対湿度一定の場合の約半分(約1.2℃)になる。 水蒸気の温室効果は、温度に対して正のフィードバックとして働き、 気候システムの感度を高めている。

真鍋さんは3次元の気候モデルをつくり、 二酸化炭素濃度を変えた準定常状態の結果を1975年の論文で発表した。 世界平均地上気温は、二酸化炭素濃度が2倍のほうが、2.9℃だけ高くなった。 鉛直1次元モデルの場合とのちがいは、偶然の可能性もあるが、 3次元モデルでは積雪や海氷が変化しうるようにしたので、 (次にのべる)雪氷アルベド フィードバックがきいて、 気候システムの感度が少し高まったとも考えられる。

ここまでは、気候の変化を、準定常状態どうしの比較で考えている。 真鍋さんの1985年の解説で使われた、二酸化炭素濃度が高いほうが地上気温が高くなることの説明は、 ふろおけモデル(暫定的に[春学期レポート課題3]参照)と似ている。 対流圏の気温減率が一定であることを前提とする。 外に出ていく地球放射が、代表高さの気温の黒体放射にひとしいという単純化をして考える。 最初は、太陽放射吸収と地球放射射出がつりあった定常状態だったとする。 そこで、地球放射吸収・射出物質がふえたとする。 すると、大気は「赤外線の目でみて、より不透明になる」から、 地球放射を出す代表高さは、外に近づく。つまり高くなる。 気温が変わらないとすれば、新しい代表高さから出る地球放射は、太陽放射吸収より少ない。 そこで気候システムのエネルギー収支は収入過剰となり、温度があがっていく。 新しい代表高さの温度が、地球の有効放射温度に達したとき、新しい準定常状態になる。 このとき、地上(高さ0での)気温は、最初よりも高くなっている。

気候システムの中のいろいろなフィードバック

世界平均の地表面温度または地上気温を代表変数として、 気候システムの中でおこるフィードバックを考えてみる。

温室効果気体濃度の増加

工業化(産業革命)以後、大気中の温室効果気体濃度はふえている。

定常応答と過渡応答、海洋による温暖化の遅れ

現実には二酸化炭素濃度が徐々にふえる。 地上気温あるいは地表温度は、濃度に対する定常応答の温度よりは、遅れてあがっていく。 どのくらい遅れるだろうか?

真鍋さんたちは大気海洋結合3次元モデルで数値実験をし、1984年に論文を発表した。 二酸化炭素濃度が標準の値と、その4倍の値でそれぞれ準定常状態の気候を計算し、 その温度差を、二酸化炭素4倍増に対する定常応答と考える。 非現実的ではあるが、 二酸化炭素が標準の値からあるとき突然4倍になってその値が続くという条件を与えて実験する。 濃度を変えてからモデル内の世界で25年後の状態を見ると、 大気と、海洋の表面から深さ数百メートルまで(風成循環に支配される「海洋表層」)は、 定常応答の70%くらいまで温暖化が進行している。 つまり、大気は海洋表層とともに、数十年の時定数であたたまる。 海洋深層は25年ではほとんどあたたまっておらず、時定数は千年程度と推定される。

地球温暖化の因果関係を考えるうえでは、二つの「たまり」を考える必要がある。

IPCC、IPCCの報告書に示された温暖化「予測」

「気候変動に関する政府間パネル」(IPCC)は、1988年に国連のもとにつくられた組織で、 地球温暖化とその対策に関する知見をまとめる報告書を数年ごとに出している。

人間社会は、将来の気候の予測を求める。 しかし、将来の気候変化は、人間社会の発展や意志決定に依存する。 それまで含めた根拠ある予測は不可能だろう。

そこで、人間社会の将来の発展について、ありうるシナリオを複数考え、 それぞれについて、温室効果気体の排出量のシナリオをつくる。 それをもとに炭素循環に関するシミュレーションをして、大気中の濃度のシナリオをつくる。 それをもとに気候モデル(大気・海洋の3次元モデル)によるシミュレーションをして、 (世界平均だけでなく地理的分布ももつ) 気温・降水量そのほかの気候シナリオをつくる。 これを、影響評価や対策立案につかう。

この手続きは、英語では prediction ではなく projection と呼ばれている。 日本語になおせば「気候変化の見通し」が適当だろうと思うが、ふつう「温暖化予測」と呼ばれてしまっている。

上記の手続きは、2007年に出たIPCC第4次評価報告書にいたる作業に即して述べた。 2013-14年に出たIPCC第5次評価報告書にいたる作業は、濃度シナリオから出発し、 排出量シナリオはそこから逆算する形をとっている。 (わたしは第4次の形が基本で、第5次の形は期限にまにあわせるための方便だと思う。)

IPCC第5次評価報告書では、4つの濃度シナリオにもとづく気候見通しが論じられている。 結果の代表として、濃度増加がいちばん大きいRCP8.5といちばん小さいRCP2.6にもとづく、 世界平均地上気温の、西暦2100年までの時系列を見る。 結果は、シナリオ間のちがいと、同じシナリオのうちの気候モデル間のばらつきが同程度である。

シナリオ間のちがいは、今後約1世紀の世界の人間社会の発展についての不確かさ (政策によって変わりうる余地をふくむ)のめやすになる。

同じシナリオのうちの気候モデル間のばらつきは、 気候システムに関する科学的知識の不確かさを反映している。 そのうちいちばん不確かな要素は、雲のフィードバックである。

温暖化すると水循環はどうなるか

雲・降水を含む水循環は、地球温暖化の将来見通しにとって、不確かさの大きな部分である。 しかし、そのうちでも、わりあい確信度の高い知見はある。 ここでは、地球温暖化で世界平均地上気温が上がることを前提として、 それにともなって水循環に関しておこることを論じる。 (残念ながら、10年ほど前に用意した材料そのままだが、 新しい材料にさしかえても、要点は変わらないはずである。)

気温が上がると、海があるもとでは、海から大気に水蒸気が蒸発して、 水のたまりの量である、鉛直積算した大気柱の水蒸気量が、ふえるだろう。 そのふえかたは、正確にはわからないが、 比湿がほぼ温度(と気圧)によって決まる飽和比湿に比例する、 つまり、相対湿度一定に近いだろうと予想される。

また、水の流れの量である、降水量と蒸発量は、世界平均では、ほぼつりあっていて (上に述べた水蒸気量の増加はそのわずかな差のぶんにあたるが)、 気温が上がると、どちらもふえるだろう。

ただし、蒸発にはエネルギーが必要であり、 もし温室効果強化による温暖化ならば、地表に達する下向き地球放射がふえるから、 利用可能なエネルギーがいくらかはふえるが、 そのふえかたは、温度上昇に応じた飽和比湿のふえかたほどは激しくない。 大気中の水蒸気の平均滞在時間( 大気柱の水蒸気量を降水量でわったもの )はのびる。 (温暖化にともなって、単位時間あたりに動く水の質量という意味では「水循環は速くなる」が、 水分子が大気に出てきてから海・陸にもどるまでにかかる時間という意味では「水循環は遅くなる」。)

しかし、ローカル・短時間の降水量は、 すでに大気中にある水蒸気が雨となってふることで決まるから、 大気柱の水蒸気量がふえれば、それに応じてふえることができる。 気温が上がると、降水は、より狭い空間、短い時間に集中しやすくなる。

温暖化の予測型シミュレーションの結果の例(Emori & Brown, 2005)を見ると、 地球上の降水の東西平均した基本の分布は、 ハドレー循環の上昇域である赤道付近で多く、ハドレー循環の下降域である亜熱帯で少なく、 温帯低気圧が活動する温帯でまた多くなるが、 温暖化が進むと、降水の多いところはますます多く、少ないところはますます少なくなる。 ここまでの見通しは確信度がかなり高い。

温暖化にともなって、同じ緯度内のどこで降水がふえるかの見通しは、 予測型シミュレーションどうしでも必ずしも一致しないので、確信度は高くない。 (たとえば、エルニーニョがふえれば熱帯東太平洋で降水がふえるが、 温暖化にともなってエルニーニョがふえるかどうかの見通しは一致していない。)

温暖化にともなって、雪氷は減ることが多いが、変化は複雑である。 積雪について、予測型シミュレーションの例(Hosakaほか, 2005)を見ると、 北極圏の冬には、積雪がふえる。 温暖化が進んでも気温がじゅうぶん低いうえに、水蒸気の供給がふえるからである。 日本など温帯の積雪地帯では、雪が雨に変わるので、積雪は減る。

ただし、この論文であつかわれた温暖化した気候は、21世紀末ごろを想定したものである。 そこに向かう途中の段階で、年々変動で寒い年には、北極圏と似た理屈で積雪がふえることもあるだろう。

人間社会とのかかわりで考えると、 雨が集中してふえるところでは洪水がふえる可能性があり、 その他の陸上では、雨がふえずに蒸発がふえて渇水がふえる可能性がある。 (「温暖化は洪水も渇水ももたらす」というのは矛盾ではない。) また、温帯の積雪地帯では、雪が雨にかわり、冬の降水は冬のうちに流出になるので、 農業用水を春の雪どけに頼ることがむずかしくなるが、 そのかわり、冬に農耕ができる可能性がふえるので、 作物や作付け時期を変えて適応する必要があるだろう。

地球温暖化の認識が発達してきた歴史から

すでにおこっている変化


(2018-06-28) 2018-12-03, 2018-12-10
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
[2018年度 秋学期授業向け情報目次] [地学の教材目次] [教材目次]