第四紀の氷期サイクルと地球の軌道要素

第四紀の氷期サイクル

• (図表 3章 159ページ「新生代」の[K]「氷河時代」、 160ページ「過去の気候変動」のうち[A]「氷床コア」、[B]「酸素同位体比」、 [C]「第四紀の氷期・間氷期」、[D]「ミランコビッチサイクル」)
• 大陸氷床が拡大した氷期と、小さくなった間氷期があった。 地球上の水(3相をふくむ)の質量の変化はわずかであり、 氷床の質量が多かったぶんだけ、海水の質量は少なく、海水面は低かった。
• 第四紀のあいだのうちでも最近の百万年間には、 世界の氷の量も海水準も、約10万年周期の振動型の変動をした。 ただしこの振動はなめらかなサインカーブではなく、むしろ、のこぎり状の波形だった。 (そのまえの百万年間には、むしろ約4万年周期の変動がみられた。)
• 氷期サイクルの環境の復元推定には、酸素・水素などの安定同位体比が重要な証拠となる。 たとえば酸素は、大部分が質量数16だが、質量数18の核種の比率が、 水の蒸発・凝結などにともなって分別されるので、同位体比が環境変動を反映している。 とくに、海底堆積物中の有孔虫の殻の炭酸カルシウムの酸素同位体比の変動が指標としてつかわれる。 これは、水温の影響もいくらかうけるが、 第四紀のばあいは、氷床と海水のあいだの質量分配がおもな原因であると考えられている。 海から水が蒸発する際には、重い酸素18をふくむ水分子は、ふつうの水分子よりも、やや蒸発しにくい。 大陸氷床は、水蒸気が雲になり雪になってつもったものだから、海水よりも酸素18がすくない。 大陸氷床の質量が多い時期には、海水中の酸素18の比率はそうでないときよりも多くなっている。 海水中でつくられた殻の酸素同位体比の変動は、海水の酸素同位体比の変動を反映している。 したがって「海底堆積物の酸素18が高いときは氷期、低いときは間氷期」のように考えられる。 (温度は間接的には関与するが、基本的には水の質量の配分の問題である。)
• 現在の南極氷床には、約100万年まえからの氷がのこっている。 このうち約80万年まえ以後の氷のサンプルの分析がすすめられてきた。 氷自体の酸素や水素の同位体比は、 おもに、氷になった水蒸気が凝結して雲になったところの温度を反映すると考えられている (図表 160ページ [1 C]の「現在との気温差」はこれによって推定された温度である)。 氷にとじこめられた空気の分析から、当時の大気中の二酸化炭素濃度がわかる。 大気中の二酸化炭素は、氷期に少なく、間氷期に多い。 温室効果のしくみは変わらなかったと考えられるので、 二酸化炭素濃度は、氷期のほうが気温が低かった原因である面はあるだろう。 同時に、温度が原因で二酸化炭素が結果であるような因果関係もあったと考えられている。 しかし、それがどんな因果関係であったかは、まださだまっていない。
• 氷のサンプルの固形分をみると、大気中の砂塵濃度も、氷期のほうが多かった。 陸の植物による被覆がすくなかったからか、風がつよかったからか、などの解釈がある。
• 氷期サイクルの原因をさぐって、1万年から10万年の周期帯で変動する外部要因をさがすと、 地球の公転・自転の軌道要素の変化がある。 これに関する学説をたてたミランコビッチ(1870 - 1858、セルビア)の名まえでよばれることがある。

地球の軌道要素にともなう日射量の変動、ミランコビッチの理論

• [*][増田 2017 自然地理学事典 A2-2 地球の軌道要素に伴う日射量変化（ミランコビッチ・フォーシング）]

地球の軌道要素

• [増田 1993 付録A]
• 太陽と地球だけがあれば、平面上の楕円軌道 (図表 1章 55ページ [2]「ケプラーの法則」)
• 木星などの重力も働くので、軌道要素が少しずつ変わっていく。
• 軌道要素 (物理の問題としては、初期の位置座標の3成分+運動量の3成分で6個。天文学では全体として同じことをつぎのような数量のくみあわせで表現する。)
  • 楕円軌道の大きさ、形
    • a: 楕円の半長径 ... 変わらないと見てよい。
    • e: 楕円の離心率、 e = sqrt( (a² - b²)/a² ) [b は半短径、sqrtは平方根]
  • 楕円軌道面の配置
    • i: 軌道傾角 ... 軌道面の基準面とのなす角
    • Ω: 昇交点黄経 ... 軌道面がどちらの方向に立ち上がっているか (基準時点の春分点の方向を基準として)
  • 軌道面内の楕円の向き
    • ω: 近日点引き数 ... 近日点は昇交点からどれだけ離れているか
  • 軌道上の天体(地球)の位置
    • T: 近日点通過の日時
• 実際には慣性系あるいは宇宙空間に対する軌道の配置ではなく、 公転軌道と自転軸の関係が問題なので、
  • 軌道傾角のかわりに「赤道傾斜角」あるいは「地軸の傾き」(公転軸と自転軸とのなす角)
  • Ω+ωのかわりに「動く春分点に対する近日点黄経」ϖ [pi ギリシャ文字のπ(パイ)の異体字で、円周率とは区別している]
  • [注意] 地球の黄経か、みかけの太陽の黄経かで、数値は 180度 (πラジアン) ちがう。
• おもな周期
  • e ... 10万年、40万年
  • e sin ϖ ... 2万年
  • 地軸の傾き ... 4万年

図1　日射量にかかわる軌道要素の過去40万年・将来10万年の計算値。

• (a) 離心率e。
• (b) 近日点の季節の効果の因子 e sin ϖ。ϖ は 近日点黄経。
• (c) 地軸の傾き(度)。

横軸の単位は千年、過去を負、未来を正としている。

軌道要素変化がどのような日射量変化をもたらすか

• ここでいう「日射量」は、地球に(大気上端に)入射する太陽放射の地表面単位面積あたり・単位時間あたりのエネルギーの流れ。
• e の直接: 全球平均・年平均日射量を変えるが、eの2乗がかかるので、小さい変化。
• e sin ϖ : 近日点がくる季節の日射をふやす。(夏と夏で対応づけると)南北逆位相。おもに低緯度できく
• 地軸の傾き : 高緯度の夏の日射をふやし、低緯度と冬の日射を減らす。南北同位相。おもに高緯度できく。

図2　軌道要素と緯度ごと・季節ごとの日射量との関係を説明するための図

「+」，「−」はその緯度・季節の長期平均からの偏差の符号を示す。

a：近日点の季節による違い，b：地軸の傾きによる違い。

図3には、4つの緯度での夏至と冬至の日射量の時系列を示した。回帰線付近の夏至の日射量（2段め）には、近日点の季節の効果の約2万年周期が、高緯度の冬の日射量（最下段）には、地軸の傾きの効果の約4万年周期が、それぞれ現われており、他の緯度・季節には、両者が組み合わさっている。

図3　北半球の夏至（実線）と冬至（破線）のいくつかの緯度での、「大気上端」での太陽放射の日平均値の過去40万年・将来10万年にわたる計算値．

単位：W m^-2。横軸の単位は千年、過去を負、未来を正としている。

ミランコビッチ・フォーシングへの応答で説明できそうな2万年・4万年周期

第四紀の気候の証拠、とくに海底堆積物中の有孔虫化石の炭酸カルシウムの酸素同位体比を、 時系列解析すると、2万年、4万年、10万年周期の成分が見つかる。

このうち、2万年、4万年周期の成分は、 緯度別・季節別の日射量にある、近日点の季節の効果、地軸の傾きの効果にそれぞれ対応し、 日射量を原因とした気候システムの応答として説明可能である。

大陸氷床のシステムがつくりだす10万年周期

第四紀のうち最近100万年間の気候の証拠は、10万年周期成分の振幅が大きいのだが、 日射量のほうは、10万年周期成分はあるにはあるが振幅が小さいので、 気候システムの単純な応答では説明できない。

しかし、大陸氷床が、雪がつもることによる成長に万年の桁の時間がかかるが、 とけるのは千年の桁でおきることがあるという非対称性をもつことや、 氷床の重みでその下の固体地球(上部マントル)が時間遅れをもって変形することなどを 考慮に入れると、約10万年周期の変動がおきるしくみの説明は可能である。 Abe-Ouchi ほか (2013) が北半球の氷床についての3次元の数値モデルによるシミュレーションで 定量的な例をしめした。 (ただし、まだ因果関係についての学説が確定したわけではない。)

文献

• 増田 耕一, 1993: 氷期・間氷期サイクルと地球の軌道要素。 気象研究ノート (日本気象学会), 177号, 223-248. [本文]
• 増田 耕一, 阿部 彩子, 1996: 第四紀の気候変動。 気候変動論 (住 明正 ほか著, 岩波講座 地球惑星科学 11, 岩波書店), 103-156. {この本の2011年新装版が板倉図書館2階にある。}
• 増田 耕一, 2017: A2-2 地球の軌道要素に伴う日射量変化（ミランコビッチ・フォーシング）。 自然地理学事典 (小池 一之 ほか編, 朝倉書店), 16-17. [本文(アクセス制限あり)]

参考ページ

• [地球環境の歴史] (気候システム論教材)

参考書

• 大河内 直彦, 2008, 文庫 2015: チェンジング・ブルー (岩波現代文庫)。岩波書店。 {板倉図書館2階に単行本のほうがある} ... 第四紀の氷期サイクルの発見と原因論、氷期のうちの激しい変動(Dansgaard-Oeschger振動)などの話。 [読書ノート] [読書メモ (目次ぬきがきをふくむ)]
• 多田 隆治, 2013: 気候変動を理学する。みすず書房。 ... 第四紀の氷期サイクル、氷期のうちの激しい変動(Dansgaard-Oeschger振動)など。 日本海の堆積物を研究している観点からの話もある。 [読書メモ]
• J. インブリー[Imbrie]、K. P. インブリー 著 (1979), 小泉 格 訳, 1982: 氷河時代の謎をとく (岩波現代選書NS)。岩波書店。 ... 第四紀の氷期サイクルの発見とそれを地球の軌道要素によって説明する学説の発達の科学史読みもの。 著者は、1970年代にその研究を大きく進めた研究者と、その娘で科学解説者。
• 山崎 晴雄、久保 純子[すみこ], 2017: 日本列島100万年史 (ブルーバックス B2000)。講談社。 {板倉図書館1階ブルーバックス棚、eBook} ... 地形がどのように発達してきたか。関東平野はどんなところかの話もある。 [読書メモ]
• 中川 毅 [たけし], 2017: 人類と気候の10万年史 (ブルーバックス B2004)。講談社。 {板倉図書館1階ブルーバックス棚、eBook} ... 水月湖の堆積物からわかることを中心に、 氷期のうちで数千年くらいの時間スケールでおきた気候変動の話。
[読書メモ]
• 菅沼 悠介, 2020: 地磁気逆転と「チバニアン」 (ブルーバックス B2132)。講談社。 {板倉図書館1階ブルーバックス棚} ... 地磁気とその逆転が主題だが、実例が第四紀の地層なのでここにふくめておく。 [読書メモ]
• 杉山 慎, 2021: 南極の氷に何が起きているか -- 気候変動と氷床の科学 (中公新書)。 中央公論新社。 ... 南極氷床とはどんなものか、そしてそれが地球温暖化にともなってどう変化しているかについての解説。 これは現在の氷床に関する本だが、第四紀の氷期サイクルを理解するうえでも参考になるのでふくめておく。 [読書メモ (2021-12-31)]

ビデオ

• NHK, 1987 [放送された年]: 氷河期襲来 (地球大紀行 8)。 NHKエンタープライズ。 {板倉図書館1階のDVDの棚、黒っぽい「地球大紀行」の箱にはいっている。} ... 地球史のうちの第四紀(最近2百万年)の氷期サイクルと、 地形に残された氷河の痕跡をたどる旅が主題。現在の氷河の実写も見てほしい。 [読書ノート]

文献 (専門的)

• Ayako Abe-Ouchi [阿部 彩子], Fuyuki Saito, Kenji Kawamura, Maureen E. Raymo, Jun'ichi Okuno, Kunio Takahashi & Heinz Blatter, 2013: Insolation-driven 100,000-year glacial cycles and hysteresis of ice-sheet volume. Nature, 500: 190–193. doi: 10.1038/nature12374