地学

【[2021-09-20] 9月20日には「気候システムの概念図」のあたりだけをあつかい、 あとは別の回にとりあげることにしました。】

気候、気候システム

わたしの「地学」の授業では、気候とその変化を主題とする。 そこで「気候システム」ということばも出てくる。 気候とはなにか、気候システムとはなにかを、ひとことでいうのはむずかしい。 すこし長くなるが、読んでみてほしい。

(準備として)「気象」

「気候」と「気象」とは、関係があるが、別の概念である。

「気象」は「大気のなかでおこる現象」である、と理解しておけばよいだろう[注1][注2]。

「気候」ということばの3つの意味

「気候」ということばは、使う人のあいだの共通理解はだいたいあるのだが、 統一された定義はない。 同じ人でも文脈によって使いわけるばあいもある。

わたしなりに整理しなおしてみると、「気候」の意味は、だいたい次の3つがある。 人間の知識が発達するにつれて、新しい意味がつけくわわったが、 古い意味も使いつづけられているのだと思う。

第1の意味は、近代科学が始まる前からあった。 人間の活動は自然環境の制約をうけて、それに適応して発達してきたので、 各地域の生活様式にはその地域の気候を反映する特徴がある。

近代科学は、17世紀ごろ、ヨーロッパで始まった。 その中で、圧力や温度などの物理学上の概念と、 身近な場所での空気の圧力や温度を測定する経験とは、いっしょに発達してきた。 (地学のうちでも地質学などは鉱物についての博物学的記載からはじまったが) 気象の分野では、気象を物理量としてとらえる機器観測が早くから発達した。 19世紀ごろには、機器観測の方法や時間間隔が標準化されて、複数年の記録が蓄積され、 その統計をとることによって、観測地点のある地域の気候が議論されるようになった。

気温などの気象要素には、日周期と年周期の変化がある。 そこで、観測時刻を一定させたうえで、 太陽暦の月ごとにまとめて、複数の年にわたる統計(「累年統計」)をとることがおこなわれた。 いちばんよくつかわれるのは累年平均値であり、「平年値」あるいは「気候値」とよばれることがある。 気象庁の約束では、「平年値」とは30年の累年平均値であり、 日本の気象庁は10年ごとに更新しているので、 現在採用されている気象庁平年値は、1991-2020年の平均値である。 (2021年5月に変更されるまでは、1981-2010年の平均値だった。) なお、WMO(世界気象機関)は30年ごとに更新しており、 現在採用されているWMO平年値は、1961-1990年の平均値だが、 ちかぢか 1991-2020年の平均値に変更されるだろう。

第2の意味の気候は、気象要素の統計で表現できるものごとだが、 それは、平年値で語れることばかりでない。 統計は平均値だけでなく、ちらばり(たとえば標準偏差)や極値も重要なのだ。

天気、天候、気候

気象要素の変動は、いろいろな時間スケールの変動がかさなっておこっている。

「気候」ということばは、そのうちで、時間スケールの長いものをさして使われる。 短い時間スケールで変化する大気中の現象は、「天気」あるいは「気象」とよばれる。 日本語には、「天気」と「気候」のあいだに「天候」ということばがある。

「天気」「天候」「気候」の使いわけには、個人差もあり、同じ人でも文脈によってちがうことがある。 わたしは、およそ、時間スケールが 10日～30日ぐらいよりも長いものごとを「天候」、 10年～30年ぐらいよりも長いものごとを「気候」と呼んでいる。

英語では、「天気」は weather、「気候」は climate だが、「天候」にあたることばがなく、 時間スケールが1か月ぐらいから climate という。 日本語でも、英語などからの直訳で、時間スケールが1か月ぐらいから「気候」と言っていることもある。 文献を読むときは、著者が用語をどういう時間スケールの現象をさして使っているか注意して読んでほしい。

気候の変動と変化

気候の「変動」と「変化」ということばは、 区別して使われるばあいもあれば、区別なしに使われるばあいもある。 (わたし自身、区別したりしなかったりする。それぞれの文脈でどちらかを明示するようにしたい。)

区別するばあいは、議論の対象となる時間軸上の期間が決まっているのがふつうである。 【地球温暖化の話題では「現在から西暦2100年まで」を対象期間とすることが多く見られる。】 気候の状態が、対象期間のはじめとおわりで、あきらかにちがうならば「変化」、 ゆらぎをふくむが ならせばだいたい同じならば「変動」が適切な表現になるだろう。

「気候変動」は、英語の climate change の訳語として使われることがある。 (わたしは「気候変化」のほうが適切だと思うが、 国際条約の公式名称につかわれた「気候変動」は かってに変えるわけにいかない。) そして、そのことばが、「人為起源の気候変動」(ほぼ「地球温暖化」と同じ)にかぎった意味で つかわれることが多くなった。 この件は、「地学」の授業の後半のどこかでくわしくあつかう予定。

気候の変化と、気候のなかの天候の年々変動

たとえば、ある地域の気温の、1961-1990年の平年値と、1991-2020年の平均値とが あきらかにちがったならば (なにを「あきらか」とするかは考える必要があり、その手段として統計学的手法である「検定」をつかうこともあるが)、 この地域で「気候の変化があった」ということができるだろう。

他方、たとえば、同じ地域の気温の、1993年8月の値と、1994年8月の値があきらかにちがったとする。 それは、1991-2020年の気候のなかにふくまれた、天候の年々変動である。 (わたしの用語ではこのようなものは「気候の変動」とはいわない。 ただしこのような話題の用語づかいは専門家間でもちがいうる。)

「気候システム」という考えの成立

気候はどのような原因で変化したか考えようとする。 あるいは、気候の変化を予測しようとする。 すると、「気候」を第2の意味で大気の状態としてとらえたとしても、 大気の状態だけを追いかけたのでは、原因解明や予測はむずかしいことがわかってきた。 大気は、1年より長い期間にわたる「記憶」(これは比喩的表現だが)をもたないようだ。 「記憶」をもちうるのは、1年よりもゆっくり変化しうる、海洋や、雪氷や、陸面の状態らしい。 そこで、大気・海洋・雪氷・陸面が相互に影響を与えあうようなシステムを考えようということになった。

それを考えたのは、1970年代前半、おもにアメリカ合衆国にいて(日本出身者もふくんでいたが)、 地球物理の観点で、大気や海洋を研究していた人たちだった。

当時、世界の多くの国の科学者と、気象庁などの気象現業機関、NASAなどの人工衛星運用機関が共同で、 GARP (Global Atmospheric Research Program、全球大気研究計画) という共同研究を進めていた。 GARPのおもな課題は天気だったが、つぎに気候をあつかおうという機運が高まっていた。 (のち 1980年から WCRP (World Climate Research Program、世界気候研究計画) がはじまった。)

気候システムの概念図としては、 1975年に出版された アメリカ合衆国GARP委員会の報告書 『Understanding Climatic Change (気候変化を理解する)』に出たものが有名である。 しかし、同じ1975年に出版された 国際GARP委員会の報告書 『Physical Basis of Climate and Climate Modelling (気候と気候モデルの物理的基礎)』に出た図が いわばその改訂版にあたる。 改訂版のほうの図を、注記を日本語におきかえて、つぎのリンク先に置いたので、参照してほしい。

気候システムは「大気」「海洋」「雪氷」「陸面」という部分システム(subsystem)から構成されている。

部分システムどうしの間で、相互作用がある。

気候システムはどういう意味でシステムなのか?

「システム」ということばは、とてもおおくの文脈で使われる。その意味はさまざまだ。 「気候システム」は、「システム」のつぎの2つの意味をかねそなえている。 【わたしは、「気候システム」ということばを1980年代から使ってきたが、 それはどのような意味のシステムかを整理してのべられるようになったのは、2010年代になってからだ。】

この授業の別の回にさらに説明するつもりだが、 ひとまず参考として、これまでの授業で使った教材のページをリンクしておくので、 興味がある人は見てほしい。

気候システムと生物地球化学サイクル、地球(表層)システム

上にのべた気候システムは、物理の発想で大気・水圏をみたものなので、 空気や海水を構成する化学成分をくわしくわけて考えようとしなかった。 ただし、大気中に水蒸気や雲粒 (くもつぶ、液体の水や固体の氷の微粒子)の形で水が存在し、 その量が海洋や陸面とのやりとりによって変化することは無視できない。 そこで、大気は水蒸気とその他(「乾燥空気」とよばれることがある)、 海水は水とその他(「塩物質(しお-ぶっしつ)」とよばれることがある)の それぞれ2成分であるかのようにあつかうことが多い。 その他の成分の濃度のうち、比較的ゆっくり変化するもの(たとえば大気中の二酸化炭素濃度)は、 システム外からきまる条件であるかのように考えてしまう。 他方、温度(気温・水温)、速度(風速・流速)などの物理量の空間分布はわりあいくわしく考える。

他方、大気中の二酸化炭素濃度がどのように変化するかを考えようとすると、 大気と海洋とのあいだの二酸化炭素・炭酸水素イオン・炭酸イオンの溶解平衡や、 陸上植物の光合成、それでできた有機物の分解、 そして、大気・海洋などをめぐる炭素の循環を考える必要がある。 また、それがどのように制御されているかを考えようとすると、 窒素、リンをはじめとする他の元素の循環も考える必要がでてくる。 化学にもとづく地球化学や、生物学にもとづく生態学の研究者によって、 1980年代、 気候システムと並列に「生物地球化学サイクル (biogeochemical cycle(s))」という概念がつくられてきた。

もちろん、気候システムと生物地球化学サイクルは同じ場所をしめており、 相互に影響をおよぼしあっている。 それをいっしょに考えよう、という機運をしめす概念図として、 1986年にアメリカ合衆国のNASAの諮問委員会が出した報告書『Earth System Science (地球システム科学)』に出たものがある。 その注記を日本語に書きかえたものを、つぎのリンクさきに置いた。

この図では、上半分に「物理的気候システム」、下半分に「生物地球化学サイクル」が置かれている。 このようにわけたのは、現実世界の構造を反映したものではなく、 人間が科学という手段によって自然を認識する能力のつごうだといえるだろう。

人間活動は、場所としてはこのシステムの中でおこるのだが、 システム外からの作用としてあつかわれている。

このころ以来、気候システムと生物地球化学サイクルをあわせたものを、 「地球システム (earth system)」ということがある。 しかし、「地球システム」という用語は地球内部のことをさすこともありうるので、 区別したいときは、「地球表層システム」のようにいうこともある。

地球環境問題の文脈での「地球システム」

島津 康男 さん(1926-2019)は、 地球内部物理を専門としていたが、 1970年代に、地球環境問題に関心をうつした。 1975年に出た『自然の数理』という本に、 「地球トータルシステム」という用語が出てくるが、 これは地球内部をふくめた地球全体のシステムではなく、 ほぼ大気・水圏にあたる地球表層のシステムである。 ただし、人間活動をひとつの部分システムとしてとらえた。 『自然の数理』の表現でいうと、「地球トータルシステム」は 「自然」「生物」「人間」の3つの部分システムからなる。 わたしの用語でいえば、それぞれ、ほぼ、「気候システム」「生態系」「社会」にあたる。 つぎのリンクさきに、『自然の数理』の表現を紹介し、 さらに、わたしが表現しなおしてみたものをしめした。

『図表』との関連

この授業の教科書とした『地学図表』の本のうちでは、 第5章 204-205ページ「地球システム」に、関連する話題がある。

大気・水圏の範囲でだいたい閉じる 気候システムや生物地球化学サイクルの話題のほかに、 地球内部とのやりとりも重要となる 時間スケールの長い地球化学サイクルの話題がある。

2020-05-10, 2020-05-13, 2020-09-19, 2021-09-19
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
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