2023年 1月 17日 (火) 「異常気象と気候の変動」 の 授業中、原稿なしで話した部分を、あとで文章化しました。 記述が満足がいくものになっていないところもあり、すみませんが、この段階で出します。 根拠となる文献などをあげることができていませんが、 質問されたらしらべて説明することはできると思います。[2023-01-22]
気候システムは複雑なシステムなので、 一般に、変化の原因をひとつにしぼることはできない。 しかし、それぞれの状況で、どの原因が相対的に重要かを論じることはできる。
「異常気象と気候の変動」のページでのべたように、 グローバルな気候の変動・変化がおきるときは、 おそらく、気候システム (大気・海洋・雪氷・陸面) のエネルギーの総量が変化しているだろう。 したがって、気候システムのエネルギーの収入あるいは支出を変える原因がはたらいているだろう。 気候システムのエネルギーの収入あるいは支出を変える原因のうち、 水蒸気、雲、雪氷などは、温度とともに変化するので、気候システム内部の要因と考えられる。 気候システム外からはたらく原因 (「外因」とよぶ ) としては、 太陽が出す放射の強さ、(水蒸気をのぞく)温室効果気体の濃度、エーロゾルの量や分布があげられる。 【この「外因」は増田がこの議論のためにもちこんだ表現であって、 気象学用語ではない。】 【温室効果気体とエーロゾルは大気の中に存在するが、 その量を、ここでは気候システムの外の変数とみなすことにする。】 温室効果気体濃度の変化は、産業革命以後については、おもに人間活動起源である。 太陽が出す放射の強さの変化は自然起源である。 エーロゾルの変化は、自然起源 (とくに重要なものは火山噴火起源) と人間活動起源のものをふくむ。
エルニーニョ・南方振動 (ENSO) などの年々変動や、 太平洋十年規模変動 (PDO) などの十年規模変動は、 温度の偏差の符号が一定ではなく正になる場所と負になる場所があるが、 偏差のひろがりが全世界におよぶことがあるという意味では、 グローバルな気候変動にふくめることができるかもしれない。
(物理法則にもとづく気候モデルによるシミュレーションによれば、) このような年々変動や十年規模変動は、「外因」 を一定としても、生じる。 (ただし、注目している場所の温度がいつ高くなりいつ低くなるかなどの、変動の位相は、観測事実と一致しない。)
気候システムの内に、このような振動型の変動をおこすしくみがそなわっていて、 外因がなくても自発的に変動がおこると考えられる。
ただし、外因も、このような変動にいくらか影響をあたえるだろう。
気象観測にもとづいた全球平均や北半球平均の地表温度 (地上気温または海面水温) の 数値が得られているのは、だいたい 西暦 1850年 以後である。 ただし、過去にさかのぼるほど、観測点がかぎられるので、その数値の不確かさは大きい。
1850年から現在までの時期の 「外因」のうち、大気中の二酸化炭素などの温室効果気体濃度は、 近年 (二酸化炭素については1958年以後) については直接観測によって、 そのまえは、南極氷床の氷にふくまれた空気の分析によって、よくわかっている。 太陽活動は、太陽放射の強さがよくわかっているのは 1978年以後 である。 それ以前は、黒点数の記録や、 年輪にふくまれた炭素14、氷にふくまれたベリリウム10などの同位体から、 定性的にはわかるが、定量的には不確かさが大きい。 火山起源のエーロゾルは、南極とグリーンランドの氷にふくまれた硫酸から推定されるが、 放射収支への影響の定量的推定には不確かさが大きい。
ともかく、気候モデル (大気・海洋結合大循環モデル) に、 推定された外因をあたえてシミュレーションをおこなうと、 1850年以後の全球平均や北半球の地表温度の時系列は、 観測にもとづく集計と似た結果が得られる。 (年々変動や十年規模変動のタイミングは一致していない。 それをならした数十年以上の時間スケールの変化傾向が似ているのだ。)
ところが、外因から、人間活動起源のものをはずして、 自然起源の要因 (太陽、火山) だけを入れると、 全球平均や北半球の地表温度は、1950年ごろ以後、まったくあわない。
したがって、1950年ごろ以後の地表温度の数十年の時間スケールの変化は、 おもに人間活動起源の要因によるという、確信度の高い推測ができる。
過去千年あまりの気温の「観測値」は、木の年輪をはじめとする自然物から推定されたものである。 機器観測のある時代の気温よりも不確かさが大きい。
外因のうち人間活動起源のものは、産業革命前は小さかったと推測される。 太陽と火山は、上にのべたとおり不確かさが大きいが、推定値はある。 外因を与えてシミュレーションをおこない、得られた気温を「観測値」と比較する。
シミュレーションでも「観測値」でも、 大きな火山噴火のあと数年間、全球規模で気温が低い。 また、太陽活動が弱い数十年の時期には気温が低い傾向がある。 ただし定量的にあっているとはかぎらない。因果関係を確信をもってのべることはむずかしい。
1万年から10万年の時間スケールで、世界の氷の量および海水準、気温、二酸化炭素濃度などが、 だいたい同期して変化している。
二酸化炭素濃度は間氷期に高く氷期に低い。 気候モデルに氷期と間氷期の氷の分布と二酸化炭素濃度をそれぞれあたえたシミュレーションによれば、 二酸化炭素の温室効果は、氷期と間氷期のあいだの気温のちがいの半分くらいをもたらしている。 とくに南半球では、陸上の氷に覆われた面積の変化は小さいので、二酸化炭素が重要である。 他方、氷・海水準・気温などから二酸化炭素濃度への因果関係もあるはずであり、 そのうちには、海洋の植物プランクトンの光合成が氷期のほうが活発になるしくみを ふくむはずである。しかしくわしいしくみはまだ解明されていない。