Michael L. Bender (2013) Paleoclimate (古気候)

  • Michael L. Bender, 2013: Paleoclimate (Princeton Primers in Climate). Princeton University Press, 306 pp. ISBN 978-0-691-14555-6.

プリンストン大学出版の気候入門書シリーズは、このブログで、Vallisの海洋 [読書メモ]、Randallの大気[読書メモ]、Marshallの雪氷[読書メモ]、Archerの炭素循環[読書メモ]、Haigh & Cargillの太陽が気候におよぼす影響[読書メモ]を紹介した。これはそのシリーズの古気候の本だ。わたしは出版されてすぐの2013年8月に買ったが、読むのは2016年2月になった。そのときとったメモを8月に少し整理して出す。本に書かれていたことの抜き書きが多いが、必ずしも本自体の重みづけを反映していない。

著者の専門は、同位体による古気候復元推定で、第四紀の氷コアをはじめ、いろいろな材料を扱っている。そして、グローバルな変化をとらえようとしている。古気候研究者は(本書まえがきにもあるように)いろいろな専門から来ているが、総論を書く人として、このようなタイプの人が適していると思う。なお、本書によれば、著者の博士論文の指導者はBroeckerだったそうだ。

(わたしは、第四紀の気候の総説(阿部・増田, 1996)の原稿を書いていた最中に出て重要と思ったのでその参考文献に入れたSowers & Bender (1995)の論文で名まえを覚えていた。南極とグリーンランドの氷コアにもとづいて氷期から完新世に移る時期の気候変化を記述しているのだが、その際に(氷自体のではなく)氷の中の気泡に含まれる酸素(O2)の酸素同位体比を見た。大気は海水よりも速くまざるので、これを使うことで両半球の時間目盛りを詳しく合わせることができる、という話だった。ただし、本書ではこの研究成果は直接参照されてはいない。)

気候の入門書では、文献としてさらに学びたい人のための参考書だけをあげている場合も多いのだが、本書は、参考文献リストが各章別にあり、さらに囲み記事(box)にもある。そのうちには入門的なものもあるが研究成果が示された原論文もある。これは古気候と現在の気候の学問状況のちがいを反映しているのだろう。現在の気候、とくにこのシリーズの他の巻で扱われているようなその地球物理学的基本に関する事実認識は、専門家のあいだであまりちがわないことが多い。古気候に関する事実認識は、いま多くの研究者が共通に思っているものでも、特定の研究論文の結論に依存していて、その研究の材料にさかのぼって検討しているのは少人数のことが多い。出典となる研究論文を明示しておくことは、その特定の事例の解釈が変わった場合に知識を修正できるための準備ともいえるだろう。

まえがきでは、まず、古気候の科学の課題として、次の3つをあげている。
1. (地質記録の観察から)過去の気候変化の性質をidentifyすること
2. 主要な事件のcoherentで反証可能なnarrativeをつくること
3. 事件のdynamicsを理解すること。

また、研究の動機として、次の2つをあげている。
1. 環境の基本的性質を知ること
2. 人為起源のperturbationへの応答の幅を理解すること、気候モデルをテストすること。

著者は、地球表層環境の、次のような性質が重要だと考えている。
1. 火成活動 →CO2放出、岩石風化→CO2吸収(負のフィードバックに働く)
2. 大陸移動 →気候システムに対する境界条件 (氷床の存在条件にかかわる)
3. 進化する生物圏 →温室効果気体(CO2)吸収、風化反応促進、太陽光反射率の変化(森林は裸地より暗い)

本書の記述の流れは、第1章で気候システム(生物地球化学サイクルを含む)の基本を述べたあと、だいたい古い時代から順になっている。時間の流れが順方向のほうが逆方向よりわかりやすい面はある。しかし、古い時代の話題が証拠が乏しくて不確かな推測が多い傾向がある。また、さきに新しい時代の研究が進んで、古い時代の研究はそれを参考にすることが多い。本書ではそれを意識して題材を配列している場合もある(古生代を扱う第5章の囲み記事として、新生代の研究でわかった海底堆積物の酸素同位体の解釈の話がある、など)。しかしそれ以外のところも、順序をかえて読んだほうがわかりやすい場合もあると思う。

第1章は気候システムの基本。要点を数えあげる表現が多い。
地球(表層)の平均温度が変わる原因として、次の3つをあげる。
1. 太陽が出す放射の変化
2. 温室効果気体濃度の変化
3. アルベドの変化。

海洋の生物地球化学サイクルについては、次の5つが基本的事実だという。
1. 光合成は表面から100m以内で起こる
2. 海洋の生物による代謝の大部分は、原核生物と単細胞の真核生物による
3. 有機物は水より重く沈む傾向がある
4. 有機物の大部分は呼吸で分解されるか再無機化される
5. とけた成分の移流と乱流拡散がある
生物にとって必要で供給が限られる元素として N, P, Si, Fe がある。これらの元素が豊富なのは表層では湧昇域に限られる。生物による同化、表層水の沈降、光の届かない海での再無機化によって分布が決まる。

百万年以上の時間規模での大気中の二酸化炭素と気温をきめるものとしては、二酸化炭素を吸収する岩石の風化反応が高温ほど促進されることによるフィードバックが重用だ。これはWalkerたちの1981年の論文で提唱され、Bernerたちによって定量的なモデルがつくられてきた。

第2章、The Faint Young Sun問題。
地球には38億年前以来、液体の水がある。しかし、太陽の発達に関する標準的モデルによれば、太陽からくる放射エネルギー量は、地球の初期には現在の7割くらいしかなかった。今と同じ大気ならば、地球は氷に覆われていただろう。
始生代(Archean)の大気は温室効果気体が多かったにちがいない。近ごろの多くの研究者はおもに二酸化炭素で説明することが多いが、著者は、鉱物の証拠から推測される二酸化炭素のレベルでは不足であり、メタンも効いていたと考える。さらに、二酸化炭素とメタンによって気温はどうなるかを計算した研究 (Haqq-Misraほか, 2008年)によれば、二酸化炭素とメタンで説明できない可能性があるそうだ。ほかの可能性として、雲のちがい(温室効果、太陽光反射の両面)も考えようとしているが、証拠とつきあわせるのはむずかしそうだ。

第3章。(始生代・)原生代の氷河作用。
知られた最古の氷河作用は29億年前である。
低緯度に氷河の証拠があり、全球凍結(“snowball earth”)であった可能性もあると考えられている時代が、24億年、19億年、7億年、6.3億年前にある。氷が低緯度の海面水準に達していたことはたしかだが、全球凍結ではなく部分凍結(slushball)だったかもしれない。氷河の規模やその変動に関する知見はまだ少ない。
全球凍結が始まったきっかけは、光合成・有機物の埋没で二酸化炭素が消費され、また、大気が酸化的になってメタンが二酸化炭素になって、温室効果が弱まったことだと考えられている。ただし、惑星間dustなど、地球外に原因を求める考えもある。
全球凍結状態がくずれたのは、火成活動で地球内部から出てくる二酸化炭素が風化で消費されず大気中にたまり、温室効果が強まったことによると考えられる。

第4章。「地球システムと全球気温の制御」。
序論でもふれた、二酸化炭素濃度・温室効果・気温・岩石風化のWalkerのフィードバック、Bernerのモデルの話。Bernerは地球内部からの二酸化炭素供給量を海洋底拡大と関連づけたが、この考えには異論もあるそうだ。
二酸化炭素濃度の変動の物証としては、植物の葉の気孔の数密度、古土壌や海底堆積物の有機物の炭素13、炭酸塩岩のMg/Ca比などが使われる。

第5章。古生代後期の氷河時代。
石炭紀・ペルム紀には大陸氷床が広がった。まだ定量的にはよくわからないが、第四紀と似た氷河性海水準変動があったらしい。

第6章。中生代と古第三紀の暖かい気候。
白亜紀には全球平均でも気温が高かったが、とくに高緯度の気温が高く、南北温度差(赤道域と極域との間の温度差)が小さかった。気候モデルでこの気候を再現しようすると、南北温度差が充分小さくなってくれない。わたしはこのことを1980年代のBarronをはじめとする人々の研究結果として知っていたが、今でも未解決なのだそうだ。当時の気候にはまだモデルで表現されていない特徴があるにちがいない。可能性としては、南北熱輸送が大きかったか (たとえば、台風のたぐいの嵐が多くて海のかきまぜが多かったか)? 雲の分布がちがっていたか(たとえば、極域の冬に温室効果をもつ雲が多かったか)?

第7章「The Paleocene-Eocene Thermal Maximum」(PETM)。
PETMは Kennett & Stott (1991年)によって認識された。炭素13から、二酸化炭素またはメタンが大気中に出てきたことがわかる。酸素18から、約5℃の温度上昇があった。上昇は1万年くらい、それからの下降は20万年くらいかかって起きた。
原因としては、メタンハイドレートの分解によるメタン放出、海底堆積物中または凍土の有機物の酸化による二酸化炭素放出が考えられている。
2百万年後に小さめの似た事件があった。

第8章。新生代の長期的寒冷化。
新生代の間には、大きく見ると、温度低下の傾向が続いている。
そのうちでも、3千4百万年前(Eocene/Oligocene境界)と、1千4百万年前(中新世中期)に、明確な温度低下があり、南極氷床が形成された。
約9百万年前(中新世後期)に、C4草本が広がった。
チベット高原が3千5百万年前から隆起し、その北側の乾燥化が進んだ。
モンスーンが明確になったのは8百万年前ごろだ。(と本書は言う。季節風的なものは常にあったと思うのだが、ここで言う「モンスーン」がどんなものをさすのか、この議論を使うとすれば出典にさかのぼって確認する必要がありそうだ。)

第9章。北半球の氷床形成と更新世の氷河時代
氷期の状態の例として、いちばん新しい氷期の状態が紹介されている。The last ice age という雑な表現を使ってしまっているが、the Last Glacial Maximumのことだろう。世界的に気温が低く、陸の大部分で降水が少なく植生が(完新世よりも)まばらだった。北アメリカのGreat Basinなど、例外的に降水が多かったところもあった。気温が低かったことは、二酸化炭素濃度と氷の存在で説明可能だ。二酸化炭素濃度が低かったことの要因は複雑で、生物ポンプも重要だろうが、Martin (1990年)の鉄仮説が重要かはまだ不明だ。

鮮新世前期-中期。南極とグリーンランドの氷床はあったが小さかった。

2百7十万年前から百万年前ごろまで、北半球の氷床の消長とそれに伴う気候変化は、約4万年周期で起こっており、地球の軌道要素に伴う日射量の変化(Milankovitch forcing)のうちの地軸の傾きに対する応答と考えられる。歳差の項がきかないのはなぜだろうか? 南極大陸の氷床消長が北半球の大陸と逆位相で打ち消しあうのか? 氷床が(のちの時代よりも)高緯度にあり、高緯度では歳差の項は小さいからなのか?

90万年前から現在までは、約10万年の周期がみられる。氷期サイクルは毎回形は少しずつ違うが、ゆるやかな氷の蓄積と急な崩壊(termination)の非対称性は共通だ。
10万年周期のしくみは次のように考えられている。
– 氷床はMilankovitch forcingに応答する
– 気候システムは変動するうちで氷期の状態のほうをとりやすい
– 氷床が、あるしきい値をこえて大きくなると不安定になり崩壊する。
– – 基盤の岩石の変形による?
– – 大気から隔離された底面で地熱による融解?
– 二酸化炭素濃度が気温に対して正のフィードバックとして働く
– – (詳しいしくみはわからないが) 南大洋の深層との交換が重要か。
Terminationは北半球の夏の日射が多いことをきっかけとして、深層循環、二酸化炭素濃度が変わって起きたと考えられている。

Milankovich forcingは氷床とは別のしくみでも気候に影響を与えている。亜熱帯の陸上の乾湿は、その半球の夏の日射の多い時期に湿潤になりやすい。陸の加熱によるモンスーンと、熱帯収束帯(ITCZ)のシフトとの両要因が考えられている。

第10章「最終氷期中の急激な気候変化」。
Dansgaard-Oscheger振動やHeinrich eventsの話題。
グリーンランドの氷や北大西洋の堆積物に見られる変化の話ももちろんあるのだが、ここでは遠方の状況だけ書きぬいておく。
– 中国のHulu洞窟のspeleothem (石筍など) の酸素同位体比はグリーンランドの寒冷期に高い。乾燥(夏のモンスーンの雨が少ない)と解釈されている。インドモンスーン域の洞窟にも同様なものがある。
– アメリカのGreat Basinでは、グリーンランドの寒冷期に湿潤(水位が高い)。
– ベネズエラ(北緯10度)のCariaco Trenchでは、グリーンランドの寒冷期に乾燥(泥の堆積が少ない)。
– ブラジル北東部(南緯10度)では、グリーンランドの寒冷期に湿潤(speleothemができる)。

しくみについては複数の仮説があるが、次のプロセスが含まれるだろう。
– 氷床の一部、または、とけ水のたまりが間欠的に崩れる。
– 北大西洋表層の塩分が薄くなり、深層水の形成が弱まる。
– 大西洋域のITCZ (降水帯)が南にシフトする。
– 大西洋深層循環が弱いことは、南極まわりを温暖にするように働く。
間欠的な淡水供給には限りがあるので、大西洋の塩分・深層水の形成が復活し、もとの状態にもどっていく。

このような事件が起きるしくみは、北アメリカ氷床の存在が前提となっている。事実としては、完新世にはいったあとだが北アメリカの氷床が部分的に残っていた8千2百年前に、小規模だが似たことが起きている。(第11章の記述だが)氷床とけ水のせきとめ湖 (Agassiz湖) がくずれて淡水が北大西洋に流れ出したと考えられている。それ以後には起きていない。

時系列解析をすると、1500年周期があるように見える。太陽活動(ベリリウム10から推定)の変動は(完新世の場合と違って)これと対応していない。Alleyほか(2001年, Quaternary Science Reviews)は、stochastic resonanceを示唆した。

第11章、完新世。
完新世(Holocene)は11700年前(Younger Dryas事件の終わり)以後をさす。(Anthropoceneを分ける考えもあることを紹介するが、採用していない。)

完新世を通じての長期傾向には、Milankovitch forcingの影響がいくらか見られる。北半球の夏の日射が、1万年前は多く、今は少ない。これに加えて、完新世初めはまだ北アメリカ氷床が少し残っていたので、北半球高緯度の温暖期は7千-4千年前になった。
熱帯では乾湿の変化が見られ、ITCZのシフトかモンスーンの強さの変化と考えられるが、両者は区別しにくい。
– Cariaco (北緯10度)では、1万-6千年前に湿潤、以後乾燥化傾向。
– 赤道西太平洋では、塩分が薄くなる傾向。雨の中心が大西洋から太平洋に移ったか。
– 中国では完新世の早い時期に湿潤。
– Flores (南緯8度)では完新世の間に(南半球の)夏のモンスーンが強まる傾向。
– タンザニアのChalla湖(南緯3度)では、どちらの半球のモンスーンが強いときも湿潤で、1万年周期変動 [これは完新世に限らない長い時系列の話]。
– 北アフリカ (ニジェール、ナイル川流域など) で完新世の間に乾燥化傾向。

Bondほか(2001年, Science)は、完新世にも、北大西洋の氷山によって運ばれた砕屑物の量の変動があり、炭素14生成率との時系列の比較から、太陽活動が弱いとき寒冷になるしくみがあると考えた。しかし、北大西洋の温度でも、他の地域でも、あまりはっきりしない。太陽活動が北大西洋に影響を与えるしくみの候補として、紫外線→成層圏→対流圏(北大西洋振動)、太陽放射→熱帯海洋(とくに太平洋)→大気海洋相互作用、などを考える人がいる。

ここで話題は現代に見られた(過去にもたびたび起こった)気候変化に移る。
– サヘルのかんばつ (例、1960-1980年)。熱帯の海面水温からの影響、とくに、インド洋・太平洋が(大西洋よりも)高かったこと、大西洋の南北勾配などの要因が論じられている。
– 北アメリカ大平原のかんばつ (例、Dust Bowl 1932-1938年)。熱帯の海面水温からの影響が論じられている。太平洋で低温、大西洋で高温というパタンがかんばつをもたらす。
(海面水温偏差の原因までは論じていない。)

第12章。人為起源の地球温暖化を古気候の文脈で考える。
人類は、新生代の寒冷化傾向、第四紀の氷期サイクルの中で進化した。

1万年前から、農業をし、複雑な社会を構築した。それができた要因として、人間の身体能力 (3万年前に現在と同様)、大気中の二酸化炭素濃度が完新世に280ppmまで上がったこと[著者はここでは温度でなく二酸化炭素の利用可能性に言及している]があげられる。

これまで、文明は気候に制約されて発達してきた。

現代、人類は、主として大気の二酸化炭素をふやすことによって、気候に影響を与えている。温暖化で、世界全体としてのhabitabilityは悪化しないかもしれない。しかし、生態系も、文明も、完新世の気候と水の分布に従って発達しているので、地域ごとの困難が生じる。たとえば、海が広がってくるところ、雨が減るところ、氷河とけ水が得られなくなるところなどである。

二酸化炭素排出が止まれば、大気中の二酸化炭素濃度はしだいに減るが、PETMの例から見て、10万年くらいかかる。この時間規模では、軌道要素も気候変化にきく。また、二酸化炭素以外の人間の影響による環境変化もあるはずだが、予測困難だ。

文献

  • 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.
  • T. Sowers & M. Bender, 1995: Climate records covering the last deglaciation. Science, 269: 210-214.

折り返しのあとに詳しい目次をつける。ただし、各章(第12章を除く)とBoxにある「References」は目次項目としてあげないことにした。

== 目次 ==
Contents
List of Boxes
Preface
Acknowledgments
1. Earth’s Climate System
– Atmospheric properties and climate
– – Pressure and temperature as a function of altitude
– – Solar heating and radiative equilibrium
– Atmospheric circulation
– The oceans
– – Ocean circulation
– – Ocean biogeochemistry
– Regulation of atmospheric CO2 and Earth’s temperature over millions of years
– Implications for paleoclimate
2. The Faint Young Sun
– The faint young sun problem
– Keeping Earth warm despite a darker sun
– [Box 1] Stable isotope abundance variations
3. Precambrian Glaciations
– Evidence for snowball glaciations
– Causes of snowball glaciations and deglaciations
– Entering into snowball glaciations
4. Regulation of the Earth System and Global Temperature
– Background
– A mathematical model to reconstruct the atmospheric CO2 concentration
– Testing Berner’s model
– Carbon dioxide changes in the context of large-scale changes in the Earth system during the Phanerozoic
5. The Late Paleozoic Ice Ages
– The record of glaciation
– Paleozoic cyclothems: the record of glacioeustatic sea level variations
– Global climate variations during the Late Paleozoic
– Dynamics of the Late Paleozoic glaciations
– [Box 2] Oxygen isotope paleothermometry using foraminifera and other CaCO3 fossils
– Remaining mysteries
6. Equable Climates of the Mesozoic and Paleogene
– Ocean temperatures during the time of equable climates
– [Box 3] Proxies for characterizing Cenozoic climates
– Land temperatures during the Cretaceous and Paleogene
– Dynamics of equable climates
– Was Earth ever glaciated during Cretaceous and Paleogene times of equable climates?
7. The Paleocene-Eocene Thermal Maximum
– The PETM event: timing, duration, and magnitude of the temperature change
– The magnitude of CO2 injection and global warming
– Ocean acidification and CaCO3 accumulation in sediments
– Possible sources of carbon dioxide or methane
8. The Long Cooling of the Cenozoic
– The cooling at the Eocene-Oligocene boundary
– The Middle Miocene cooling (MI-1), 13.8 Ma
– Causes of Oligocene and Miocene coolings
– [Box 4] Orbital variations and climate
– Changing climates and the rise of C4 grasses during the Cenozoic
– Origin of the Indian and East Asian monsoons
9. The Origin of Northern Hemisphere Glaciation and the Pleistocene Ice Ages
– Earth’s surface during the last ice age
– Glacial-interglacial changes in atmospheric greenhouse gas concentrations
– [Box 5] Ice cores
– Why was Earth colder during the ice ages?
– Evolution of Earth’s climate system over the past five million years
– – The warmer world of the Early Pliocene
– – Origin of Northern Hemisphere glaciation
– – The “40K World”, 2.7 – 1 Ma
– – The transition to the 100K World, ~ 1 Ma
– The nature and dynamics of the 100 kyr World, 0.9 Ma to present
– – Sawtooth climate cycles recorded by delta-18-O of foraminifera
– – Greenhouse gas concentration changes during the ice ages
– – Regional temperature histories recorded in the isotopic composition of ice from ice cores
– – Ice age terminations
– Orbitally driven climate change independent of the ice sheets
– What drives the 100 kyr ice age cycles?
10. Rapid Climate Change during the Last Glacial Period
– Climate changes recorded in the Greenland ice cores
– Millennial climate change in the North Atlantic during the ice ages
– Climate change in the tropics and midlatitudes
– Climate change in Antarctica
– Causes of rapid climate change events during the ice ages
– What controls the tempo of Dansgaard-Oeschger events?
11. The Holocene
– Holocene climate change associated with precession
– Millennial-duration rapid climate change during the Holocene
– Was solar variability an important cause of Holocene climate change?
– Other Holocene climate events
12. Anthropogenic Global Warming in the Context of Paleoclimate
Glossary
Index

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