地球の歴史のなかで気候が変化してきたことがわかってきた。 それは、今学期前半の惑星の話や、「地学 I」の対象となる地球内部の話とも関連する。 ここでは、わたしの観点によって論点をしぼってのべてみたい。 図をしめすかわりに『図録』の関連箇所をこのページに書く。
気候の変化のしくみに関する認識は、 [グローバルな気候の変化 (序論)] でのべたように、 20世紀なかば以後に、エネルギー保存の法則を基本とした考えかたで進展した。 そのような研究が、人間社会の問題としての地球環境問題を解決しようという意識のもとで すすめられてきたのは、早めにみつもっても、1970年代なかばごろ以後のことである。 それまでの気候の変化の研究の動機は、地球の歴史のなかで気候の大きな変化があった証拠に出あって、 その原因を考えようとしたことだった。
陸上には、氷河がある。 大気中の水蒸気が雪としてふり、地上につもって積雪となり、 それが夏でもとけないような温度条件にあると、 雪の結晶のあいだのすきまが小さくなって、かたい氷になる。 その量が多いと (地球の重力のもとで)、それ自体の重さによって流れる。 ただし、固体の流動であり、液体の流動にくらべてずっと遅い。 (たとえば、1年に数メートル程度。)
氷河は、液体の水の流れとはちがった形で、岩石を侵食・運搬・堆積させる。
陸地をひろく覆う巨大な氷河を「大陸氷床」という。 現在の地球上には、南極大陸とグリーンランドに大陸氷床がある。 (グリーンランドを大陸とはいわないが、グリーンランド氷床は大陸氷床にふくめられている。)
19世紀に、過去の地形や地質の証拠によって、 現在は氷河のない地域に大陸氷床がひろがった時期がいくつもあったことがわかり、 「氷河時代」あるいは「氷河期」とよばれるようになった。 たとえば、北アメリカと北ヨーロッパに大きな大陸氷床があった時代がある。
地層や化石の対比によって相対年代の編年がすすんだ。
しっかりした年代めもりがはいったのは、20世紀なかば以後、 放射性核種の壊変をつかえるようになってからである。
そして、海底堆積物の微化石や同位体、氷床の微量成分や同位体を、 コア (柱状サンプル) をとって連続的に分析することによって、 どんな環境 (気候や地球化学) の変動がどんな時間スケールでおきているのかがわかってきた。
そこで「氷河時代」の概念は、「氷期」と「氷河時代」の二つにわけられた。 (「氷河期」ということばはつかわないほうがよいと思う。)
地球の歴史のなかでの最近の約 2百万年間である「第四紀」の中で 大陸氷床がひろがった時期が「氷期」、せばまった時期が「間氷期」[かんぴょうき] である。 氷床の氷が多かった時代は、そのぶん海水が少なく、海水位は低かった。 現在もひとつの間氷期で、 そのまえの氷期 (「最終氷期」といわれるが、むしろ「最新」であり、これでおわりという意味ではない) の 氷のひろがりの極大は約 2万年前である。 ひとつまえの間氷期は 約 13万年前である。 最近の約百万年のあいだには、氷期・間氷期が約10万年周期でくりかえしてきた。
地球の歴史をおおきくみると、大陸氷床があった時代と、 なかった時代 (小規模な山岳氷河はあったかもしれない) が、 明確な周期性なしに、くりかえしている。
南極氷床は 約 3千5百万年まえからある。 そのころから、「大陸氷床が存在した時代」という意味では、 ひとつの氷河時代 (「新生代 氷河時代」) がつづいているといえる。 (いまはその氷河時代のうちの間氷期なのだ。)
大陸氷床がなかった時代があったと考えられている。 たとえば、中生代 白亜紀 の、いまから約1億年まえがそれにあたる。 「無氷河時代」とよばれることがあるが、山岳氷河はあったかもしれない。
古生代の石炭紀からペルム紀 (「二畳紀」とよばれることもある) にかけて、 南アメリカ、アフリカ、南極大陸、オーストラリアに氷河の証拠がある。 当時、この4つの陸地はひとつながりの大陸であり、高緯度にひとつの大陸氷床があったと考えられている。
約24億年前と、約7億年前には、大陸氷床が赤道付近までひろがっていた証拠があるので、 地球全体が雪氷でおおわれたかもしれない。これを「全球凍結」ということがある。 (全球凍結といっても、海底までこおったのではなく、海面に氷がはった状況を考えている。) もしそうなっていると、太陽放射の吸収がすくないから、寒冷な気候からぬけだすのはむずかしいが、 現実には、全球凍結が実際におきたとしても、千万年ぐらいの時間スケールで終わっていた。
地質時代の気候の変化の原因については、さまざまな説が考えられた。 原因を、地球内部にもとめるもの、宇宙・天体にもとめるもの、 大気・海洋・雪氷からなる気候システムが自発的におこす変動と考えるもの、など。
そのうちで、生き残っている学説は、気候システムのエネルギー収支を変える原因を 重視するものが多い。
グローバルな気候を変化させる要因として重要なもののひとつは、 氷 (氷床、積雪、海氷をふくむ) である。 氷は、地球の気候のうちでは温度の低いときに存在し、 太陽放射を反射するので、気候システムのエネルギーの収入をへらすように働く。 氷と温度とは、正のフィードバックを構成する。
第四紀の氷期・間氷期の振動的な変化には、 外因として、地球の公転と自転の軌道要素の 2万年・4万年などの周期の変化による 大気上端に入射する太陽放射の緯度別・季節別の変化が考えられる。
しかし約10万年周期の変動はそれでは説明しがたく、 大陸氷床自体がもつ物理的特性や、氷床の重みによる固体地球の変形が重要らしい。 このばあい、宇宙からの原因を氷が変調しているといえる。
億年スケールの氷河時代・無氷河時代(仮称) には、 大陸移動にともなう、氷床、積雪、海氷がそれぞれ存在しうる場所の変化がきいているかもしれない。 もしそうならば、地球内部からの原因を氷が変調しているといえるかもしれない。
もうひとつの重要なものが温室効果気体、おもに二酸化炭素である。 二酸化炭素は赤外線を吸収・射出するので、 その濃度が高いほど、地表面温度や地上気温を高くする働きがある。
大気中の二酸化炭素濃度が、おもにどことの炭素のやりとりによって変化するかは、 現象の時間スケールによってちがっている。
地球温暖化関連であつかう、十年から百年の時間スケールでは、 陸上生態系 (植生・土壌) の有機物や、 海水中にとけている 二酸化炭素、炭酸水素イオン、炭酸イオン、有機物が、 重要な炭素のたまりである。
氷期サイクルなどの、万年から十万年の時間スケールでは、 堆積物の炭酸カルシウムが重要になる。 海洋には炭酸カルシウムの殻をつくる生物 (有孔虫、円石藻など) がいる。 生物がつくった殻が海底に沈んで堆積物になることや、 堆積物の炭酸カルシウムが溶解することがある。
千万年から億年の時間スケールでは、 地球内部 (地殻・マントル) をふくむ炭素循環が重要になる。 火山活動にともなって、マグマにふくまれていた炭素が、 二酸化炭素の形で火山ガスになって、大気中に出てくる。
火山ガスによる地球内部から大気への炭素の移動は、地球の歴史のなかでは、 プレートテクトニクス (『図録』 第1編 [6]～[12] 参照) にともない、とくに海洋底拡大速度の増減にともなって 増減してきたと考えられている。
これと逆むきの大気から地球内部への炭素の移動は、炭酸カルシウムが沈殿して石灰岩などの岩石になることである。 ただし、そのカルシウムイオンの源が石灰岩では、正味の二酸化炭素吸収にならない。 カルシウム (またはマグネシウム) をふくむケイ酸塩鉱物からなる岩石の 化学的風化によって、カルシウム (やマグネシウム) イオンが供給され、 炭酸塩岩ができると、正味の吸収になる。
風化反応は、気温と大気中の水蒸気量が多いときに速く進む。 そして風化反応は大気中の二酸化炭素濃度を減らすので、 温室効果を弱める方向にはたらく。 これは気温にとって、負のフィードバックになっている。
このような炭素循環がおこるためには、ケイ酸塩が風化する陸地と、 炭酸塩が沈殿する水域 (海) の両方が必要である。 地球には、海と陸 (岩石が水におおわれずに大気に接するところ) の両方があるが、 惑星一般から考えると、これはめずらしいことだろう。
全球凍結が終わった原因も、 全球凍結中は風化は進まないが、火山活動はあるので、 大気中の二酸化炭素濃度が非常に高くなり、温室効果で温度が上がった という説が有力である。
炭素循環にはもうひとつの回路がある。 植物の光合成によって、有機物がつくられている。 それとともに大気中に酸素 (O2) が出てきた。
有機物がつくられても、酸素と化合して分解すれば、正味の蓄積にならない。 しかし、有機物が埋没して大気と隔離されることがある。 石炭や石油は、このようにして隔離された有機物が変質したものである。 現代の人間活動は、それを急速に分解している。