Joanna D. Haigh & Peter Cargill (2015) The Sun's Influence on the Climate / 太陽が気候におよぼす影響

  • Joanna D. Haigh & Peter Cargill, 2015: The Sun’s Influence on the Climate (Princeton Primers in Climate). Princeton University Press, 207 pp. ISBN 978-0-691-15384-1 (pbk.)

プリンストン大学出版の気候科学入門シリーズの1冊。2015年7月に同じシリーズのMarshall (2012) の雪氷圏の本の[読書メモ]を書いたときに新刊に気づいて注文したが、読むのは10月になった。装丁は同じシリーズの本と同様なペーパーバックだが、表紙の色が、これまでのこのシリーズの本は緑または青系統だったのと違って、オレンジ色だ。

著者はいずれもイギリスの人で、Haigh氏は大気物理、Cargill氏は統計数学が専門らしい。わたしはたしか2001年の国際学会の太陽と気候の関係のセッションでHaigh氏の発表を聞いたおぼえがある。

本書は、太陽と、地球の気候システムのそれぞれについての基本的理解から始めて、太陽が気候に影響をおよぼすしくみについての複数の考えを紹介している。

結論的なものとしては、太陽の変動は確かに気候に影響を与えているのだが、今後百年ほどの全地球規模の気候変化の展望に限れば、太陽が過去数百年(Galileoの時代以来)に経験した程度に変動しても、その影響は人為的二酸化炭素増加の影響よりは小さいだろう、という見通しを述べている。ただしその理屈には確実でないところがあり、二酸化炭素よりも太陽が大事だという信念を持っている人を説得できるほどではないだろう。

なお、著者は、全世界平均の変化は大きくなくても、地域別の気候には大きな変化がありうるとする。紫外線による大気の加熱にしても、海面の加熱にしても、あるいは雲を介するプロセスにしても、影響は大気の力学によって広域におよびうる。その場合には、低気圧と高気圧、高温のところと低温のところができ、平均の変化は大きくないが場所ごとの変化は大きいかもしれないのだ。ただし、本書でのその話は、太陽の状態が活発だと地球上のどこが暑くなるというふうに具体的にはならない。今の学問状況で、明確な答えが出ていないのだと思う。さらに研究すれば答えられるのかもしれないが、原因がわずかに違えば遠方の応答は逆符号にさえなるような、応用数学でいうカオス的な状況(天気予報が何日先までできるかの話と詳しく言うと別だが根は同じ)で、将来も答えるのはむずかしいのかもしれない。ともかく、この因果関係について考えられていることをしっかり説明しようとすると、大気の力学、とくにプラネタリー波の伝播の理解が必要で、大学の学部上級の授業教材を想定したと思われる本書の範囲では扱いきれないと判断されたと思う。

ともかく本の順序を追って見てみよう。

第1章は序論で、おもに今の研究に至る前の歴史をたどる。

太陽の変動に関してはながらく黒点が注目されてきた。昔から肉眼での観察があるにはあったが断片的だった。17世紀初め、Galileoたちによって望遠鏡による観察がされてから関心が継続した。18世紀には黒点数の変化が認められ、Herschelは1801年の著作で太陽変動が気象を介して小麦の値段などの社会現象に影響を及ぼしていることを示唆した。19世紀なかばには黒点が約11年周期で変動していることをSchwabeが指摘し、Wolfが定量的に示した。(またGaussたちによって地磁気の変動にも太陽の変動に伴う部分があることが知られた。) そこで、黒点と気象そのほかの現象の周期変動との相関をさぐる研究がさかんになった。しかし1870年代終わりには関係は単純でないという認識に至った。

太陽が出す電磁波のエネルギーは「太陽定数」と呼ばれる量で代表された(最近、英語ではTotal Solar Irradianceを略したTSIへの言いかえが進んでいる)。これは厳密には定数ではないが、実際どのくらい変動するかについて、20世紀の初め以来Smithsonian天文台のAbbottが中心になって観測研究をしたが、地上での観測からの推定で誤差が大きく、変化のシグナルがわからなかった。1970年代から人工衛星観測が始まり【10年ほどたってから】TSIは黒点と同位相で変化していることがわかった。

太陽の変動によって、惑星間磁場が変動し、地球に到達する銀河宇宙線の量が変わり、14Cや10Beの核種の生成量が変わる。1970年代、Eddyが過去数百年の14Cと黒点とを関連づけ、気候との関係も示唆した。

第2章は地球の気候システムの概説。

まず、大気成分、雲、気温(おもに対流圏・成層圏などの鉛直構造)、風、大気による熱輸送、地上気圧分布、海洋の基本的構造について述べる。

次に、変動のモードの話がある。熱帯の大気・海洋の変動はENSOで代表させている。高緯度の大気の変動として、北半球についてはNAO, PNA, AO, NAMを(違う部分に注目したものだとしながらも)一連の現象とみなし、南半球にも類似のSAMがあるとする。熱帯成層圏の変動であるQBOにもふれている。

それから、気候モデル(大循環モデルと単純なモデル)はどんなものかを述べている。

第3章は太陽に関する基本的なこと。

太陽の質量などの基本的な数値に続いて、太陽が出す放射の波長別のエネルギーのスペクトルが示されている。TSIの最近の観測(SORCEプロジェクト)に基づく最善の推定値は1361 W/m2だ。

太陽は、核(core)、放射層、対流層、光球という球殻型構造をもつ。放射層は成層が安定で対流が起こりにくいところだ。

太陽は磁場をもつ。そのしくみは流体ダイナモにちがいないが、詳しいことはまだ解明されていない。

光球にみられる黒点と白斑(faculae、明るいところ)では磁場も複雑に変形している。黒点は磁場が対流をさまたげているところである。

コロナ、太陽風、フレア、コロナ質量放出、太陽が出す高エネルギー粒子(電子など)についても概略を述べている。

第4章は地球に達する太陽放射について。

まず、地球に届く太陽放射の緯度・季節分布。幾何学的に決まるが、万年の時間規模では地球の軌道要素の変化に伴って変化する。

次に話はいったん0次元(全地球平均)になって、放射平衡温度、それと実際の地上気温の違いが温室効果によるという話がある。そして、「気候感度」を、放射強制によって気温がどれだけ変わるかという意味でとらえる。こうとらえれば、強制の原因が太陽放射の変化であっても温室効果の変化であっても感度は大差ないだろうと考えられている。二酸化炭素倍増への定常応答が1.5-4.5 Kと見積もられており、その放射強制が4 W/m2なので、ここの意味での気候感度は 「0.04-1.13 K W-1 m2」になると書いているが、この0.04は0.4のまちがいだろう。

大気は、太陽放射の一部分を吸収し、一部分を散乱する。(その内容も重要なところだが、大気放射の教材と重なるので、紹介を省略する。)

太陽放射の紫外線は大気中の光化学を通じてオゾン量を変動させる。また、太陽からくる高エネルギーの電子・陽子は、成層圏の窒素・酸素分子を電離させたり解離させたりする。太陽活動が強いと、紫外線が強いことはオゾンをふやすほうに働くが、高エネルギー粒子による大気分子の解離は、NOをふやし、オゾン破壊を進めるほうに働く。

太陽放射は対流圏のOHラジカルなどの大気成分の化学反応にも関与する。

第5章は太陽の変動について。

黒点は約11年の周期で変動していることがわかっており、solar cycleといえばふつうこのことである。黒点周期に伴ってTSIも変動するが、1979年以後の観測による変動幅は±1 W/m2程度だ。黒点数の多いときTSIが大きいのは、黒点の多いときには白斑も多くそちらのほうがTSIに大きくきくからだ。

黒点周期に伴って、太陽からの紫外線、X線はTSIよりもはげしく変動する(黒点が多いときに多い)。太陽風(太陽からの陽子などの荷電粒子の流れ)や地磁気も変動する。地球に達する銀河宇宙線は黒点が多いときのほうが少なくなり、そこで14Cや10Beがつくられる量も少なくなる。

過去には、17世紀後半のMaunder極小期と呼ばれる時期のように連続して黒点が少なかった時期があるが、その時期を含む過去のTSIの推定はむずかしく、研究者によって違った量の変動が推定されている。

なお、「今、太陽はMaunder極小期なみの状態に近づいている」という説をとなえる人がいるが、著者のまわりの専門家はそうなる可能性は低いと見ている。(一例として「その確率は5%」と述べたものがあるそうだ。その根拠は紹介されていないが、専門家としての総合判断にちがいない。)

第6章は、太陽の変動が地上の気候におよぼす影響。

まず1万年の期間の千年規模の変動。Bondほかの2001年の論文から図を引用している。最近1万年あまりの完新世のうちでも、北大西洋の堆積物中の氷山によって運ばれたと考えられる鉱物(気候の指標)と、氷コア中の10Beの供給量(太陽の指標)が、千年の時間規模で同期して振動していることが示されている。(わたしの主観的印象としては、このグラフは対応がよすぎる気がする。10Beの年あたりの供給量を得るのに10Be濃度の測定値のほかに年降雪量が必要なはずで、その見積もりの不確かさから、10Beのデータにも気候が反映されてしまってないだろうか?)

次に百年または千年の期間の数十年規模の変動。気候モデルを使って、観測または復元推定された全球または北半球の地上気温の時系列変化への、太陽、火山エーロゾル、人為温室効果気体、人為エーロゾル、土地利用変化の要因の寄与の分析(attribution)をした研究例を2つ紹介している。

Maunder極小期のTSIが現代より少なかった量は、1~3 W/m2と見積もられている。(6という値を出した研究もあるのだが例外的とみなせそうだ。) これを放射強制に換算すると0.17~0.50 W/m2となり、気候感度を仮に 0.8 K W-1 m2で代表させると、気温を0.13~0.4 K下げる効果があったことになる。太陽の気候への影響を、放射のエネルギー変化が全地球平均の気温に及ぼす効果にしぼって考えると、Maunder極小期と今との違いでも、21世紀に進行している人為的温室効果強化に比べて、小さいのだ。

ここまでは世界平均の気候の変化の話だが、著者は、地域の気候にはもっと大きな変化があらわれうると言う。しかしその議論は充分詳しくはない。

まず極地方の場合と言いながら、太陽活動がNAOに影響する可能性を論じている。ここの議論はよくわからないが、次の章で述べている成層圏からの因果関係ならばありそうだと思う。(わたしは、極地方に注目するならばNAOよりもAOあるいはNAMという観点のほうがよいのではないかと思う。ただし、過去にさかのぼると観測が大西洋に偏るのでNAOの情報のほうが得られやすいという事情もあるかもしれない。)

熱帯については、太陽放射による海の表面加熱が変わることがENSOに影響する可能性を論じている。わたしの記憶違いでなければHaigh氏が2001年に発表していたのはこの主題の研究だった。しかしきれいな関係は見られていない。海のエネルギー収支を変えるさまざまな要因のうちで太陽変動の影響を取り出すのはむずかしいのだと思う。

第7章は、太陽変動が地球の大気におよぼす影響。

太陽の紫外線の相対変動は、TSIの相対変動よりもずっと大きい。(そして本書によれば、SORCEの観測で、紫外線の変動は従来の見積もりよりも大きいことがわかったのだそうだ。) 紫外線は成層圏のオゾンに吸収されてその場の加熱となる。成層圏の加熱の(南北・鉛直)分布が変われば、温度分布、平均の風の分布も変わる。それによって大気の力学、とくにプラネタリー波と呼ばれる波の伝わりかたが変わり、成層圏だけでなく対流圏の気圧や温度の分布に影響を及ぼしうるのだ。「なんらかの影響がある」ということならばこれは確かな知見と言えるが、具体的にどこにどんな影響があるかはなかなか言えない。そこで本書のこの部分の記述はわかりにくいものになっていると思う。本書よりはGrayほか(2010)のレビュー論文(Haigh氏も共著者)のほうがこの論点についてはしっかり書いていたと思う。また、本書で参照されたこれと別の文献の共著者でもある小寺邦彦(もと気象研究所)、黒田友二(気象研究所)両氏の著作も参考になると思う。

これと別に、銀河宇宙線が、空気分子を電離させることが、雲に影響するという因果関係が提唱されている。こうまとめると共通だが、違う理屈が含まれている。ひとつはイオンが雲粒の形成に影響するという考え、もうひとつは空気の電離が地球をめぐる電流を変動させ雷を伴う雲の活動を変えるというものだ。

第6,7章をまとめて、太陽から地球の気候への因果関係は次のように整理される。

  • TSIから
    • 全地球平均のエネルギー収支。1 W/m2で0.1K程度。
    • ENSOなどの地域コントラストに影響? (未解明)
  • 紫外線から、成層圏の加熱→大気力学→{極渦、熱帯大循環など}
  • 太陽由来の高エネルギー粒子から、大気成分(オゾンなど)に影響
  • 銀河宇宙線から (上に述べた2つの道筋)

第8章は「宇宙天気」の話。

これは地上の天気とは直接関係なく、地球周辺の磁場や電離層の変化のことだ。これには明らかに太陽活動の影響が現われる。これが、人工衛星や高いところをとぶ飛行機の機械と人の安全、電波による通信、送電網の安全などにかかわるので、常時監視の対象になり始めた。本書で参照されている「Kamide & Chian 2007」の本の編者でもある上出洋介氏が2011年に出した一般向け解説書『太陽と地球のふしぎな関係[読書メモ]もこの話題を扱っている。

第9章はまとめ。

第7章でふれたattribution研究の結果、19世紀なかばから20世紀なかばまでの平均温度上昇の10%が太陽起源とされる。(20世紀後半の温度上昇への太陽の寄与は小さいとされる。)

「太陽が温暖化を遅らせてくれる」と期待する人がいるが、著者はそれはあてにならないという。まず、太陽活動が弱まるかどうかは予測困難である。太陽活動の主要な変動モードは約11年周期であり、数年弱くても次の数年にはまた強まる可能性のほうが高いだろう。また太陽が弱いことは温室効果強化を単純に打ち消すのでなく、水循環を変えるので水不足が生じる地域もあるかもしれない。(太陽放射反射を人工的にふやす構想に関連して行なわれた、「太陽定数」を減らした気候モデル実験の結果を参照している。)

「付録」として、「気候記録から太陽に由来するシグナルを抽出する」研究手法の紹介がある。周期性に注目するものとしないものがあるが、いずれにしてもほとんどが統計的方法だ。ただし、「指紋法」と呼ばれるものは物理的気候モデルも使い、モデルに強制を与えて得られた応答のパタンと、観測のパタンの類似性を見るものだ。

文献

  • L. J. Gray, J. Beer, M. Geller, J. D. Haigh, M. Lockwood, K. Matthes, U. Cubasch, D. Fleitmann, G. Harrison, L. Hood, J. Luterbacher, G. A. Meehl, D. Shindell, B. van Geel, W. White, 2010: Solar influences on climate. Reviews of Geophysics, 48, RG4001, doi:10.1029/2009RG000282.

折り返しのあとに詳しい目次をつける。

Contents
1. Introduction
2. The Earth’s Climate System
– Composition
– Clouds
– Temperature
– Winds
– Transport of Heat by Circulation of the Atmosphere
– Surface Pressure
– Oceans
– Modes of Variability
– – The El Niño – Southern Oscillation
– – Polar Modes
– – The Quasi-Biennial Oscillation
– Climate and Weather
– Climate Modeling
– – Constraints on the Performance of GCMs
– – Radiative Processes in GCMs
– – Water and Clouds in GCMs
– – Models of Reduced Complexity
3. The Sun
– A Quick Tour
– Solar Radiation
– The Solar Interior and Visible Surface
– The Solar Magnetic Field
– Sunspots and Faculae
– Chromosphere, Corona, and Solar Wind
– Flares, Coronal Mass Ejections, and Energetic Particles
4. Solar Radiation at the Earth
– Solar Radiation at the Top of the Atmosphere
– The Earth’s Radiative Equilibrium Temperature
– Earth’s Energy Budget and the Greenhouse Effect
– Radiative Forcing and Climate Sensitivity
– – Solar Radiative Forcing of Climate Change
– Solar Radiation within the Earth’s Atmosphere
– – Solar Heating Rate
– Scattering of Radiation
– Atmospheric Temperature Profiles
– Photochemistry
– – Stratospheric Ozone
– – The Ozone Hole
– – Energetic Particle and Chemistry
– – Tropospheric Chemistry
5. Solar Variability
– Variations in TSI across a Solar Cycle
– Sunspots and Faculae
– UV, EUV, and X-Rays
– The Solar Wind, Interplanetary Magnetic Field (IMF), Coronal Mass Ejections, and Auroras
– Galactic Cosmic Rays and Cosmogenic Isotopes
– Extrapolating TSI to the Past
– The 2008/2010 Minimum: … And the Future
6. Solar Signals in Surface Climate
– Paleoclimate Temperature Records
– Factors Influencing Global Surface Temperature
– Regional Effects
– – Polar Regions
– – Tropics
7. Solar Influence through the Atmosphere
– Solar Signals Detected in Observations
– – Wind and Temperature in the Upper Atmosphere
– – Wind and Temperature in the Stratosphere and Troposphere
– – Stratospheric Ozone
– Understanding the Signals
– – Variations in the Solar Spectrum
– – Solar Energetic Particles
– – Galactic Cosmic Rays and Clouds
– – Dynamic Effects within the Stratosphere
– – A Dynamic Influence of the Stratosphere on the Troposphere
– Mechanisms for a Solar Influence on Climate: An Overview
8. Space Weather
– Causes of Space Weather
– Effect of Space Weather on Technical Systems
– – Geomagnetically Induced Currents
– – Atmospheric Drag
– – Airline Radiation Levels and Astronaut Safety
– – Spacecraft Anomalies
– – Communications
– Prediction and Forecasting of Space Weather
– Space Climate
9. Summary
Appendix: Detection of Solar Signals in Climate and Weather Records
Glossary
Suggestions for Further Reading
Bibliography
Index

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