増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
(海洋研究開発機構 統合的気候変動予測研究分野)
次の形で出版されたものです。 (原稿をもとに、校正の際の修正も反映させましたが、 出版されたものと厳密には一致していないかもしれません。) 引用する場合はこの出版物を参考文献としてあげてください。
わたしは、地球物理学の一部とされていた気象学を専攻し、その立場から気候を研究してきた者である。アメリカの科学史家Spencer WeartのThe Discovery of Global Warming (1)の翻訳にかかわり、日本語版解説も書いたが、その主要な動機は科学史への関心ではなかった。わたしは大学の非常勤講師として、気候に関する授業を担当している。質量保存・エネルギー保存などの物理法則を基礎として気候をとらえようとしており、具体的な到達点として、地球温暖化についての自然科学的理解を置いている。Weartの本を訳そうと思ったのは、その授業で話しきれないことの副読本としてだった。大気・海洋・雪氷などが相互作用しながら変化している「気候システム」(2)の考えかたを理解するうえで、それがどのように発達してきたかの歴史をたどることが有意義だと思ったからだった。
Weartは、「温暖化の発見」を一時点のできごととして示したわけではない。そのまえがき(3)では、「1896年、孤独なスウェーデン人科学者［Arrheniusをさす］が地球温暖化を発見した -- 理論上の概念として」「1950年代、カリフォルニアの少数の科学者［Plass, Keeling, Revelleをさすと思われる］が地球温暖化を発見した -- 起こりうる出来事として」「2001年、世界中の何千人もの科学者を集めた並外れた組織［気候変動に関する政府間パネル（IPCC）をさす］が地球温暖化を発見した -- すでに天気にはっきりとした影響を与えはじめていて、さらに悪化しそうな現象として」と、複数の局面を示している。わたしは、Weartのいう「発見」は、この本で描写された百年ほどかかった過程全体をさしていると理解している。
ところで、次の論点はWeartの本ではあまり明確に述べられていない。上記の引用でもふれられている2001年のIPCC第3次評価報告書のころから、地球温暖化に関する言説は、地球温暖化を「温度がすでに上昇している」「その原因は人間活動である」という枠組みで提示し、その事実認識の真偽を疑うものや、それが真であることを前提として対策の議論に進むものが多くなっている。しかしIPCCが発足した1988年にはまだ、世界平均地上気温がすでに上昇しているという専門家の共通認識はなかった。それにもかかわらず、専門家は、将来気温が上昇するという見通しに高い確信を持った。地球温暖化に関する科学的認識は、温度の上昇が観測事実として認識される前に、将来見通しとして得られたのだ。
ここでは、気象を基礎とする気候研究者の立場から、どのようにして将来の見通しが先行することができたのかを中心に、温暖化に関する科学的認識の発達を論じてみたい。2節では対象となる「地球温暖化」とは何かを説明する。3節では、これに関する科学的認識の発達への社会からの影響についてのわたしの考えを簡単に述べる。以下、科学的認識自体の発達について、4節から7節では将来の温暖化の認識がどのように発達してきたか、8節ではすでに起きた温暖化の認識はどのようにされているかを述べる。9節では議論の簡単なまとめと、日本を含むアジアの科学史研究者への希望を述べる。
本論にはいる前に、本稿の対象とする「地球温暖化」ということばが何をさすかを明確にしておきたい。
まず、「地球温暖化」と「地球温暖化問題」とを区別しておきたい。「地球温暖化」は、世界に存在する因果連鎖である。その原因のところに人間活動がはいっているが、そこから先は、自然科学の対象となるような物理・化学プロセスの連鎖である。「地球温暖化問題」は人間社会にとっての問題である。「地球温暖化」が人間社会に及ぼす影響には有害なものがあり、その害をどのようにして減らすかが政策の課題になるのだ。
本稿では「地球温暖化」に関する認識の発達という、科学内的な問題を扱う。「地球温暖化問題」に関する科学史は、科学と社会とのかかわりの事例として有意義だと思うが、ここでは直接扱わない。
「地球温暖化」について述べる前提として、「気候」と「気候変化」について述べる。 「気候」という用語の定義を示すことはむずかしい。わたしは、気候の概念には、次のような発達の過程からくる3層が重なっていると考えている。第1に、気候は、人間をとりまく環境（「風土」ともいう）のうち、寒暖・乾湿・風などの地表に近い大気に関する要素群をさしていた。第2に、近代科学の初めから大気の状態は気温・気圧・風速などの物理変数で測定・表現されてきたので、気象に関する物理変数の（季節を区別した）1年より長い期間の統計に現われるものごとを気候というようになった。代表的な数量として、気温・降水量などの「平年値」があるが、これは（たとえば1981年から2010年までの）30年累年平均値である。第3に、第2の意味の気候の変化の原因を数理物理的に考える過程で、大気・海洋・雪氷などの部分からなり部分が相互作用しながら変化しうる「気候システム」という概念が成立した。「気候」はこの気候システムの状態をさすというとらえかたもできる。
気候の「変化」と「変動」とを区別するかどうかは、書き手や文脈によって違う。ここでは区別しないことにする。ただし、「変動」は英語のvariation, fluctuationなどにあたる場合もあるが、IPCCや気候変動枠組み条約の「気候変動」はclimate changeに対応する。
「気候変動」という用語は、原則として、原因についての限定なしに使われる。人間活動に由来するものに限定する場合には「人為起源気候変動」（anthropogenic climate change）のような表現が使われることがある。しかし、気候変動枠組み条約では、第1条に次のような定義があり(4)、「この条約の適用上」の「気候変動」は、本稿でいう「地球温暖化」とほぼ同じ意味になる。
この条約の適用上、［中略］
2. 「気候変動」とは、地球の大気の組成を変化させる人間活動に直接又は間接に起因 する気候の変化であって、比較可能な期間において観測される気候の自然な変動に対して追加的に生ずるものをいう。
「地球温暖化」は、その語の構成要素のすなおな意味とは違った概念となっている。ここで「地球」はglobalであり、空間規模が全世界におよぶ現象であることをさす。「温暖化」はwarmingで、動詞warm（反対語はcool）の動名詞形である。これは、温度が上がることをも意味しうるが、温度の変化を支配する方程式に温度を上げる方向に働く強制項があることをも意味しうる。そこで、「地球温暖化」という用語(5)は、「世界平均地上気温が上がること」をさして使われることもあるが、本稿で述べる文脈では、「温室効果の強化という強制項によって起こされる気候変化」をさすとするのが適切である。温室効果とは、大気が電磁波を吸収・射出する結果として地表面温度あるいは地上気温を高めるように働くことである。赤外線を吸収・射出する能力をもつ二酸化炭素などの成分の濃度がふえると温室効果が強化され、気候に対する強制項として働く。それは、世界平均地上気温を上昇させるとともに、地域ごとの気温・乾湿などにさまざまな変化をもたらす。「地球温暖化」はこのさまざまな変化を含み、「地球温暖化問題」はこのさまざまな変化が生態系や人間社会に与える影響に人間社会はどう対応するかという問題だ。
地球温暖化についての認識の発達に、科学外の社会からの影響は無視できない。とくに、研究の基盤として、世界規模の観測網と計算機とが不可欠だった。気象の観測・通信網は、天気予報や航海・航空安全を目的とした社会インフラストラクチャーとして整備された(6)。
気候の研究も、第2次大戦後ごろから、国家による推進の対象となってきた。とくに、第2次大戦直後にアメリカ合衆国プリンストンの高等研究所(IAS)で始められた数値天気予報プロジェクトには、気候の予測が天気の予測と未分化な形で含まれていた。それを推進する人々のうちには、その発展として気候を制御する能力をもつことに期待する人もいた。しかし、意図的気候改変の意図しない帰結について警告する人もいた(7)。
数値天気予報が現業化されるのと並列に、1955年にアメリカ合衆国気象局(Weather Bureau)のGeneral Circulation Research Section (GCRS) で気候の数値モデル研究が開始された。この組織はのちに海洋大気庁 (NOAA) のGeophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) となった。やや遅れて、カリフォルニア大学ロサンジェルス校（UCLA）およびNational Center for Atmospheric Research (NCAR), さらに遅れてNASA Goddard Institute of Space Studies (GISS) でも開始された。1970年代なかばまでの気候モデル研究の課題は、モデル開発、大気および海洋の基本的特徴の再現、仮想的な強制に対する気候システムの応答特性などである。まだ具体的な応用の道は見えていなかったが、将来の応用につながりうる基礎研究として推進されていたと見られる。なお、気候制御あるいは意図的気候改変は、非専門的な話題にはなったが、専門的研究の将来の応用目標としては期待されなかった(8), (9)。
気候の変動・変化に関する科学的知識を強化することが明確に政策課題のうちに現われたのは1970年代なかばからである。アフリカのサヘル地帯の飢餓が報道されたことや、ソ連が不作で穀物や大豆を輸入し世界の食料需給に影響を及ぼしたことをきっかけとして、気候変動にそなえる必要性が指摘された(10)。そして、1978年にアメリカ合衆国で国家気候法（National Climate Act）が成立し、1979年に世界気象機関（WMO）が主催する世界気候会議が開かれ、1980年に国際学術連合会議（ICSU）とWMOが推進する（のちにUNESCOの政府間海洋委員会も加わる）世界気候研究計画（WCRP）が始まった。ただし、当時の「気候」の課題には、エルニーニョ現象などの天候年々変動も含まれ、むしろそちらが重点だった。英語では日本語の「天候」に相当することばがなく、日本では「季節予報」と呼んでいる数か月先の天候の予測もclimate predictionと呼ばれている。WCRPのうちで最初に始まったのは熱帯海洋・全球大気（TOGA）プロジェクトで、エルニーニョ現象とそれが世界各地の天候におよぼす影響の解明が主題だった。
地球温暖化に関する研究の政策的推進は、天候年々変動よりはやや遅れて始まった。1979年にはアメリカ合衆国科学アカデミーの関連機関である全国研究評議会 (NRC)の委員会の報告書(11)（委員長の名をとってCharney報告書と呼ばれる）で科学的認識の大筋がまとまった。1983年にはそれが社会におよぼす影響も含めたNRCの委員会（Nierenberg委員長）の報告書(12)が出た。その結論はすぐに排出削減などの政策を勧めるものではなかったが、知識の不確かさを減らすための研究を勧めるものだった。世界の科学者にとって重要な動きは、1986年に出た、当時ICSUの下にあった環境問題科学委員会（SCOPE）の報告書(13)だった。そこでは、温暖化自体とともにそれが生態系・農業・森林に悪影響があるかもしれないことを指摘している。その対策には国連の取り組みが必要であるという認識から、1988年、WMOと国連環境計画（UNEP）の下にIPCCが発足するに至った(14)。それ以後、各国内の温暖化関連の科学研究も、IPCCの評価報告書編集の流れを意識したものが多くなってきた。
このように見てくると、地球温暖化に関する研究が政策的に推進されたのは1970年代末以降であり、それまでに地球温暖化の概念が成立したのは、基礎研究としては奨励されていたものの応用への明確な要請がない中での、科学の自律的発展としてとらえられるだろう。次の節から、その発展をたどる。
気候変化への関心が高まった1970年代、おもに専門家以外のしろうと向けの話題として、将来数十年のうちに気候が寒冷化するという見通しがさかんに述べられた。背景には次の3つがあった。
しかし、専門的著作物に限ると、温室効果強化による温暖化の見通しを示したものも負けておらず、1970年代を通じてそちらのほうがふえる傾向があった(16)。1970年代の間に、あとの6節で述べるように、二酸化炭素による温室効果強化の研究が進み、1979年のCharney報告書(17)に至って、物理に基礎を置く気候の専門家の多くが、将来数十年に起こりそうな気候変化の規模感を共有した。エーロゾルの効果の評価も並行して進められ、1970年代末ごろには、エーロゾルは増加しており寒冷化に働くが、二酸化炭素による温暖化と比べて相対的に小さいという認識に至った。
このようにして共有された温暖化の認識は、「まず温度の上昇という事実が観測され、因果関係をさかのぼる推論によって二酸化炭素が原因であると考えられた」というものではない。世界平均地上気温はまだ上昇していなかった。化石燃料燃焼によって二酸化炭素が大気中に排出されているという事実から、あるいは二酸化炭素濃度の増加という観測事実(18)から出発して、それが将来もたらす結果を考えるような、順方向の因果推論によってできたのだ。その推論の主要な論点は次の節で述べる。
この順方向の因果推論は、気候の変化は物理法則とくにエネルギー保存則に従って起こるという信念に基づいている。物理法則としてのエネルギー保存則を認めれば、気候システムを構成する大気などもその法則に従っていることは明らかだ。しかし、エネルギー保存則を主役にして気候の変化を説明できるかは自明ではない。
物理法則に基づくうちで比較的単純な考え方として、気候システム全体（以下「系」と書く）をひとまとめにし、東西・南北・上下のいずれの方向の空間次元に伴う変化も省略した、0次元エネルギー収支モデルがある。そのうちでも単純な構成として、系が一定の熱容量をもち、エネルギー量は（系を代表する）温度と熱容量の積である、というものがある。このようなモデルで、空間的にも時間的にも複雑な現実の気候の変化を説明しきれるわけではないのだが、世界平均の温度が上がったり下がったりするような変化に限れば、系のエネルギー収支を偏らせるような強制作用への応答として説明できそうだという期待がもてる。
ひとまず、この系にとっての単位時間あたりのエネルギー流入量は系外から強制された一定値だとし、流出量は系の温度のなめらかな増加関数で与えられるとする。すると、この系には収入と支出がつりあう定常状態があり、任意の温度から出発した系の状態の時間発展は定常解に向かって収束するものになるだろう。定常解どうしを比較すれば、流入量が多いほど温度は高く、また、流出量を与える関数を同じ温度に対する流出量が小さくなるように強制的に変更すれば系の温度は高くなるだろう。この定常解どうしの違いを、系に与えた強制に対する応答ととらえ、「定常応答」と呼ぶことにする(19)。
Weartは「温暖化の発見」の源流をさかのぼって、1820年代のフランスのFourierの仕事(20)を紹介している。Fourierの議論は、まだエネルギー保存則が確立する前であり、「熱収支」に基づいているが、今の概念で言えば0次元エネルギー収支モデルである。地球にとっての熱の収入は、太陽光を吸収することである。支出は、地球がその温度に応じて熱放射を出すことである。（Fourierは収入に宇宙空間からくる熱放射をも想定したが、今ではそれは無視できることがわかっている。）当時、放射伝達つまり電磁波による熱伝達の理論もなく、Fourierは自分が開発した熱伝導の理論からの類推で考えた。大気には熱放射を吸収しまた射出する働きがあると考えると、大気がない場合に比べて、地表面温度が高くなる。Fourier自身が使った用語ではないが、これは大気には温室効果があることを示した仕事だと言える。ただしFourierは気候の変化を論じたわけではなく一つの定常状態を論じただけなので、「温暖化」を論じたとは言えないだろう。
19世紀末、スウェーデンの化学者Arrhenius(21)は、大気中の二酸化炭素濃度の違いがもたらす地上気温の違いを示した。0次元エネルギー収支モデルであるが、大気と地表面の温度が別々に決まるようにして、気候システム全体のエネルギー収支を考えた(22)。赤外線を吸収・射出する主要な大気成分が水蒸気と二酸化炭素であることはTyndallの室内実験によって示されており、吸収・射出の波長依存性についてはLangley, Paschen, Ångströmの実験結果を使うことができた。水蒸気量は気温に伴って相対湿度一定で変化する（つまり水蒸気濃度が飽和水蒸気濃度に比例する）と仮定した。定常状態どうしの比較で、二酸化炭素濃度が標準値の場合に比べてその2倍の場合に地表面温度がどれだけ高くなるかを示した。この温度差は次節で述べるように以後の研究でも代表的課題となっており、本稿では「二酸化炭素倍増に対する定常応答」と呼ぶことにする。
またArrheniusは、人間が石炭の燃焼によって大気中に二酸化炭素を排出していることを認識し、これが温暖化をもたらすと推論した。しかし、石炭消費量の増加を考えなかったので、温暖化には何百年もかかると考えた。また、温度が上がることは人類にとってよいことだと考えた。したがって、今の用語を使えば、Arrheniusが「地球温暖化を示唆した」と言えるが、「警告した」というのは不適切だろう。
Arrheniusやその同時代の人々の気候変化へのおもな関心は、人間活動の影響よりも、地質学によって知られた過去の気候の変遷を説明することだった。地形や、岩石の擦痕などを、現在の氷河がつくっているものと比較することによって、過去には地球上に大規模な氷河（大陸氷床という）が広がった時代があることが推測された。（これは結果から原因に向かう逆方向の因果推論である。）19世紀末ごろには、氷河時代の問題は大きく二つに分けて認識された。一つは、古生代以来数億年の地球史のなかで、大陸氷床があった時代（古生代ペルム紀など）となかった時代（中生代白亜紀など）が交代したこと、もう一つは、第四紀（最近約二百万年）の間に、北アメリカ・ヨーロッパに氷床がひろがった時代（氷期）とそこからは消えた時代（間氷期）があったことである。この両者の変動の原因に関するさまざまな仮説が考えられた。そのうち成功したのは、0次元エネルギー収支モデルで可能なプロセスの理解だった。雪氷は土壌や液体の水よりも太陽光反射率が高いので、その存在は地球のエネルギー収入を減らし、温度を下げる効果をもつ。他方、大気中に温室効果原因物質がふえることは、同じ温度で比べればエネルギー支出を減らすことになり、その結果として至る定常状態どうしで比べれば温度を上げる効果をもつ。Arrheniusのほか、19世紀末のアメリカの地質学者Chamberlinも、氷床の消長は二酸化炭素濃度の変化の結果ではないかと論じた(23)。
20世紀なかばのイギリスの蒸気機関工学者Callendar(24)は化石燃料起源の二酸化炭素が気候に与える影響を論じた。1950年代に、アメリカの応用物理学者Plass(25)は放射伝達の計算を精密化した。ドイツの気象学者Möller(26)は、0次元エネルギー収支モデルで、二酸化炭素倍増に対する定常応答を求めようとした。しかし、次の節で述べる真鍋の鉛直1次元モデルの結果をふまえてふりかえると、CallendarやPlassの議論は系全体でなく地表面だけのエネルギー収支を考えた不完全なものだった(27)。Möllerの計算結果の数値があばれたのは地表面と大気との乱流による熱交換を考慮していなかったためだった(28)。
二酸化炭素倍増に対する定常応答は、今でも地球温暖化に関する知識の要の位置をしめている。2013年に出たIPCC第5次評価報告書 の第1作業部会の部では、これを 「平衡気候感度」（equilibrium climate sensitivity）と呼び、多くの文献に基づく知見を総合して「高い確信度で1.5-4.5℃の範囲にある可能性が非常に高い」と述べている(29)。
この定常応答について、Arrheniusの仕事に続く最大の知識の進歩は、GFDLの真鍋淑郎とRichard Wetheraldが1967年の論文(30)で発表した鉛直1次元モデルによる数値計算であったと言えるだろう。このモデルは、東西・南北の次元は区別せず全世界平均で扱うが、鉛直次元は明示的に扱う（具体的には大気を18層または9層に分けてそれぞれの層のエネルギー収支を計算した）。各層のエネルギーが変化するしくみとして、放射と対流を考えた。水蒸気と二酸化炭素の両方を含む大気の放射吸収・射出の数量を得る方法は、東北大学の山本義一が図式解法の形で示したもの(31)が応用された。対流は、上下の対流が起こりそうな状態を見つけたら対流が終わった状態で置きかえてしまう「対流調節」という方法で表現した。モデルの定式化と、それが地球大気の対流圏・成層圏の鉛直温度分布の特徴をよく再現することは真鍋とStricklerの1964年の論文(32)で示された。モデルは定常状態を仮定せず、エネルギーの出入りに伴って温度が変化するが、高温・低温いずれの非現実的な初期条件から始めても、約1年後にはほとんど同じ定常状態(33)に収束する（ただしモデルには季節変化も日周変化もない）。1967年の論文では、二酸化炭素濃度を、標準の値（300 ppm）と、その2倍、2分の1としてそれぞれ計算した。水蒸気については相対湿度一定を仮定した。その結果、二酸化炭素濃度が高いと、成層圏の温度は低くなるが、対流圏や地表の温度は高くなる。二酸化炭素倍増に対する定常応答は2.3℃となった。
次の重要な進展は、同じ真鍋とWetheraldが1975年の論文(34)で発表した3次元の大気大循環モデルによる数値計算であった。このモデルでは、地球を東西・南北・鉛直の3次元の升目に分け、それぞれの升の気温・気圧・水蒸気量・風速などが、エネルギー保存、質量保存、運動方程式などの物理法則に従って時間とともに変化していく。この特定の研究では、海洋の大循環モデルは結合されておらず、海洋が季節を越えてエネルギーをたくわえる役割だけを熱容量一定の板のような形で表現した。また現実の海陸分布ではなく、同じ幅の陸と海が交互にあるような理想的な海陸分布で計算した。モデルの世界には天気の変化があるが、それをならしてみると、勝手な初期値からモデルの世界の数十年たつと定常的な気候に達する。地上気温はもちろん緯度によって違うが、世界平均気温の二酸化炭素濃度倍増に対する定常応答は2.9℃となった。鉛直1次元モデルによる結果より少し大きいのは偶然性もあるだろうが、大循環モデルでは積雪や海氷が変化しうるようにしたので、雪氷の太陽光反射率が大きいことによる正のフィードバックがいくらか寄与しているであろう。
1979年のCharney報告書(35)は、二酸化炭素倍増に関する定常応答として1.5℃から4.5℃という幅を示したのだが、それは、このGFDL大循環モデルと、当時まだ査読済み論文には至っていなかったGISSのJames Hansenたちの大循環モデルによる結果とをおもな材料とした専門家判断によるものである。
しかし、多くの専門家が気候システムの感度がおよそこのくらいであるという認識を共有するに至った契機としては、複雑な大循環モデルと単純な鉛直1次元モデルという、同系統ではあるものの違った手法による結果が基本的に一致したことが重要だったと考えられる。複雑なモデルは、1事例ごとに必要な計算機資源が多いので、事例数をふやせない。単純なモデルは、計算機資源が少なく、事例数をふやすことができ、モデル内で起こることの理論的説明もしやすい。いわば、複雑なモデルは実験装置であり、単純なモデルは理論の道具なのだ。1970年代末の時点で大循環モデルによる二酸化炭素倍増実験ができたのは、GFDL, GISSとNCARのWarren Washingtonたちだけだったが、1次元モデルによる追試ならば多数の研究者がすることができた。真鍋たちによるモデルの構成には、対流の表現や水蒸気に関する仮定など、恣意的とも言える点があるが、他の研究者それぞれが現実的と思われる範囲で仮定を変えても、結果の大筋は変わらなかった。また、1次元モデルの定常解は時間発展を追うのとは違った接近法によっても同様な結果が得られた(36)。Schneiderが1975年の論文(37)でレビューした研究の間で、定常応答の値はかなりばらついていたけれども、真鍋・Wetheraldと大きく違う値を示した研究には欠点を指摘することができた。たとえばRasoolと Schneider自身の1971年の論文(38)は小さい値を示したが、そのモデルは成層圏の温度に関する仮定が不適切であったと評価された。
今では、鉛直1次元モデル、大循環モデルに加えて、衛星観測データの解析や古気候の解析を含めた多様な方法で気候感度の研究が行なわれている。それでも「平衡気候感度」の見積もりの幅は狭まっていない。それは、温暖化に伴う雲の変化と、それが放射収支に及ぼすフィードバック効果を評価することが、まだむずかしいからである。
1970年代に得られていた温暖化の定量的見積もりのほとんどは二酸化炭素濃度を外部条件として与えた定常応答によるものだった。しかし、この定常応答を濃度の一意的な関数と考えてよいのかという疑問がある。また、現実には、大気中の二酸化炭素濃度は徐々に増加する。さらに、気候システムには熱容量があるので、気温は各時点の二酸化炭素濃度に対する定常応答をつないだものよりは遅れて変化する。将来の気候変化の見通しをもつためには、これらの時系列的変化を考える必要がある。これらの問題は、まず単純なモデルで扱われ、しだいに複雑なモデルによるシミュレーションに置きかえられてきた。
第1に、外部条件（二酸化炭素濃度はその一つだと考えている）が一定ならば、気候システムの落ち着く安定定常状態は一意的に決まるか、という問題がある。気候システムは明らかに非線形なので、複数の安定定常状態（多重平衡解）があるかもしれない。単純なモデルならば、多重平衡解の構造を調べつくすことができる場合もある。複雑なモデルでできることは、初期値あるいは履歴を変えて複数の実験を試みることである。
真鍋・Wetheraldの鉛直1次元モデルでは、定常解は単一だった。大気大循環モデルでは、雪氷の太陽光反射率のフィードバックがあるので、もし地球が全部雪氷に覆われた状態から始めるとそこから抜け出せないという多重性がある(39)が、現状に近い程度の雪氷面積から始める限りは同じ気候状態に落ち着く。ところが、大気海洋結合大循環モデルでは、大西洋深層の南北鉛直循環が事実上止まった状態と現状に近い状態との多重性が出現した(40)。深層循環が止まった状態は、あとで「第5」として述べる現実的シナリオによる実験では出現していないが、それが出現する可能性の評価は今も困難である。
第2に、大気中の二酸化炭素濃度はどうなるかという問題がある。化石燃料起源の二酸化炭素がどれだけ大気に排出されるかは、人間社会の事情で決まるが、そのうちどれだけが大気中に残りどれだけが海または陸に吸収されるかは、大気・海洋・陸上生態系の間の炭素循環による。炭素循環は、気候システムと同じ場所を占め、それと相互作用するけれども、ひとまず別のシステムとして扱うことができる。1970-80年代には、大気中に残る割合はそれまでに観測された値で続くと仮定されることが多かった。1990年代には、炭素循環の簡単なモデルで濃度を計算できるようになった。2000年代には、気候システムと炭素循環を結合した複雑なモデル（「地球システムモデル」と呼ばれる）の開発が始まり、2010年代にはそれによる定常応答実験や次の第3・第4・第5の型の実験も行なわれるようになった。
第3に、熱容量による遅れの問題がある。ひとまず熱容量一定の0次元モデルで考えると、同じだけのエネルギー収支の残差があれば、熱容量が大きいほど、単位時間あたりの温度変化は小さくなる。気候システムの熱容量の大部分は海洋にある。海洋全層が大気とともに暖まるのならば、気温の上昇は遅い（しかし暖かい状態は長続きする）。海洋の表面付近の浅い層だけが暖まるのならば、気温の上昇は比較的速いだろう。
これに対する現実的な答えは、1980年代に、複雑な気候モデルによる「過渡応答」型の実験によって得られた。たとえば、Spelmanと真鍋が1984年の論文(41)で発表した研究では、大気海洋結合大循環モデルに、ある時点で二酸化炭素濃度を突然4倍にしてそのまま維持するという非現実的な強制を与えて、その応答を定常応答と比較した。結果を大局的に見ると、大気は海洋の深さ数百メートルまでの層とともに、時間の指数関数型で、新しい二酸化炭素濃度に対応する定常解に近づいていく。したがって、気温は、二酸化炭素濃度への定常応答をつないだものに対して、数十年遅れて進行することがわかった。
第4に、複雑・現実的な気候モデルで、観測された過去の気候がどれだけよく再現できるかという問題がある。過去約千年の期間について、二酸化炭素濃度、火山起源および人為起源のエーロゾル量、太陽から来る放射の強さなどの強制項を与えたシミュレーションが行なわれている。強制項の推定に大きな不確かさがあり、また気候システムには時間規模が数年から数十年の変動が自発的に起こるので、結果は観測値と詳細に対応するものではないが、観測された気候変化の特徴を再現できれば、気候モデルという手段への信頼を高めることになる。8節で述べる温暖化の検出と原因特定にもこれと同類の実験が使われる。
第5に、複雑・現実的な気候モデルに、将来約百年（ときには数百年）について、現実にありそうな強制項の値を与えた予測型シミュレーションが行なわれている。これは、温暖化の生態系や人間社会への影響を見積もり、温暖化問題の対策としての排出削減策や適応策を立案する材料とされている。日本語圏ではふつう「温暖化予測」と呼ばれているが、きびしく言うと予測ではない。英語ではpredictionではなくprojectionという。人間活動による二酸化炭素排出量の予測は原理的に困難である。そこで、社会発展のありそうなシナリオを複数想定し、それぞれについて排出量の時系列を推計し、炭素循環を考慮して濃度の時系列を求め、それを気候モデルに与えて気候のシミュレーションを行なう。具体的手順については文献(42), (43)を参照していただきたい。ただし注43にあげた文献はIPCC第4次評価報告書（2007年）に採用されたCMIP3という研究プロジェクトの予測型シミュレーションの手順を解説している。第5次報告書（2013-14年）に採用されたCMIP5では、濃度シナリオから出発するように手順が変更された。わたしは、手順変更は多数のグループが協調して期限までに成果を出すための実務的方便であり、CMIP3の手順が基本だととらえている。
IPCCは、2001年の第3次報告書以来、まず、気候の変化（たとえば世界平均地上気温の上昇）がすでに起きていることを示し、その原因が人間活動起源の温室効果気体濃度増加であると考えられる根拠を示す、という論理構成を正面に出している。このような問題枠組みは detection and attribution (D&A) 、日本語では「検出と原因特定」と呼ばれている(44), (45)。
世界規模の温度上昇を検出するためには、多数の地点の観測値を総合する必要がある。20世紀なかばのCallendar(46)はこの問題に挑んだ先駆者だったが、当時使えたデータは乏しく、結果は当時の他の科学者にとって確信度の低いものだった。今の知見から見ると、彼が示した20世紀前半の気温上昇は事実と考えられるが、それが化石燃料起源だという主張は裏づけられない(47)。1960-70年代には、1940年代以降の北半球平均気温の時系列が得られたが、4節で述べたように、それは下降傾向を示していた。1970年代末から、3節で述べたように温暖化の研究が政策的に推進されるようになり、その課題のひとつとして観測データの収集・品質管理・集計が行なわれた(48)。
現在、世界平均気温の集計は複数の機関で行なわれており、日本の気象庁によるものはウェブページ(49)に示されている。1990年ごろ、温度上昇が現実に起きていることが多くの専門家の共通認識となった。ただし、これには、20世紀初めからの長期の温暖化傾向が認識されたことと、1970年代から1990年代末まで続く急激な温度上昇が認識されたことが含まれていた。後者の急激な温度上昇が、温暖化問題が政策課題としてとりあげられるきっかけになったかもしれないが、あと知恵で言えば、それには強制なしで起こる気候システムの変動も含まれており、人為起源の温暖化が急激に進んだととらえるのは不適切だった。
原因特定は、気温と二酸化炭素濃度の観測値の時系列を比べるような方法でできるものではない。IPCC第4次報告書以来D&Aの中核とされている仕事は、複雑な気候モデルによるシミュレーションの結果の気温などを同じ変数の観測値と比較するものだ。観測値のある過去百数十年の期間について、推定された全部の強制項を与えた実験（7節で「第4」として述べたものの同類）と、特定の強制項を抜いて与えた実験とを行ない、結果を観測値と比較することによって、抜いた強制項の寄与を推定する。これには、シミュレーション結果を観測された気候と定量的に比較できるだけの精度をもつモデルが必要である。その要請は予測型シミュレーションの場合も同様であるが、D&Aは予測型よりも論理の連鎖が複雑であり、したがって確信度はやや低くなる。 また、温暖化には遅れがあるので、すでに起きている温暖化は、近未来に予想される温暖化よりも小さい。すでに排出された二酸化炭素によって起こると予想される温暖化だけでも、まだ全部は実現していないのだ。D&A型の仕事の結果だけを見ている人の近未来の温暖化の認知は、専門家の予想に比べて、過小評価になりがちだ。
それでもD&Aが重視されたのは、政策決定者は、将来についての予測だけではなかなか動かず、すでに起きている現象に結びつけることによってやっと動くことが多いからなのだろう。また、科学者であっても、物理法則に従った予測という考えかたを信頼しない人たち（自分の研究対象にそういう方法を使えない人、地球環境を扱っているが観察に基づく帰納的認識を重視する人、自分の研究対象は単純だが地球環境はあまりにも複雑なので物理的方法は使えないだろうと考える人など）は、「温暖化が起きている」「その原因は何か」という議論になってはじめて参加する。
そこで、1995年に発表されたIPCC第2次評価報告書(50)から、D&Aに一つの章があてられた。ただしこのときは、結果はまだ独立な多数の視点で支えられておらず、報告書の要約文書でのD&Aの重みは小さかった。上に述べたように、第3次報告書から、D&Aの重みが大きくなった。
ところが、1998年以後、世界平均地上気温の集計値の増加がにぶっており、最高記録がなかなか更新されなくなった。そこで、2007年の第4次報告書が出たころから、「温暖化は止まった」という言説が広まり、温暖化対策の必要はないと考える人々によってその根拠とされた。専門の科学者から見ると、温暖化を起こす因果連鎖はけっして止まっていない。さらに調べると、海洋にたまっているエネルギー量の増加はにぶっていないようだ(51)。専門外の人々にとってのわかりやすさをねらってD&Aをおもてに出したことがいわば裏目に出て、人々の温暖化への認知を薄れさせる結果をもたらしてしまった。
本稿の結論は次のようなものである。温暖化の認識は、温度上昇が観測されるよりも前の1970年代に、物理法則、とくにエネルギー保存則を基本とする数値計算によって、将来に関する見通しとして得られた。今では、温度上昇の観測事実から始めてそれが人為起源なのだというD&A型の認識もあるけれども、それは1990年ごろ以後に新しく付加された部分なのだ。ただし、本稿には筆者による推測にすぎない部分も多い。歴史家による検証を期待したい。
また、本稿で触れたほかにも、以下のような課題が考えられるだろう。
まず、Weartも認めているように、Weartの本の話題はアメリカ合衆国での動きに偏っている。日本出身者でとりあげられているのは、アメリカに移住し、大気大循環モデルという手段の基礎をつくった、真鍋、荒川昭夫、笠原彰の3人である。その他にも日本からアメリカに移住して気象・気候分野で活躍した人がいることは比較的よく知られているが(52), (53)、前述の山本義一など日本で仕事をした人の貢献は日本語圏外の読者にはあまり知られていないであろう。また、今の地球環境の理解は、世界規模の観測網の構築・運用、データの共有という大事業に基づいている。このことはEdwards(54)が論じているが、その記述もアメリカで得られる情報に偏りがちだった。世界の科学史・技術史に日本を含むアジアの人々の働きがもっと反映されることを期待したい。
次に、本稿では詳しく扱わなかった、社会から科学者への影響の問題がある。Weartの本でも、政治状況からの影響と、一般の人々が気候をどんなものだととらえているかからの影響の両方が示唆されてはいるが、充分に議論されてはいないと思われる。
政治状況との関連では、1990年ごろまでの気候の科学が、冷戦という状況のもとで発達したことは明らかである。大気・海洋の循環や炭素循環の研究は、直接・間接に核実験と関連する動機によって促進された。しかし、もし冷戦がなかったとしても、発展過程には違いがあっただろうが、この分野の科学は発展しただろう。歴史学の立場から「もし」を論じることは困難であろうが、冷戦を含む複数の条件の寄与のattributionができるとよいと思う。
一般の人々の気候観も、気候に関する科学的課題の設定に影響したと思われる。気候観は、「気候は（どのくらい）変わりうるか」「人間活動は気候に（どのくらい）影響を及ぼしうるか」「人間は気候を（どのくらい）思いどおりに制御できるか」という、それぞれ関係はあるが、別々の項目に分けてとらえる必要があるだろう。これも、調査には多大な労力を要するであろうが、興味深い課題だと思われる。
有賀暢迪さんには、本稿を書くきっかけを与えていただき、どのように論点を関連づけ文章として組み立てたらよいかを示唆していただいた。宮川卓也さんにも有益なコメントをいただいた。いちいちあげることができないが、本稿の内容に至る知識を得る場をつくってくださった多くの先人・同僚にも感謝したい。