• Tim Lenton, 2016: Earth System Science (A Very Short Introduction 464). Oxford University Press, 153 pp. ISBN 978-0-19-871887-1.

2016年の新刊。2016年7月、仕事なかまの人から教えてもらって、すぐ読むことにした。いちおう読み終えてこのメモを書いているが、知っている話題だと思ったところは走り読みしてしまった。

ここでいう地球システムは、地球全体ではなく、大気、海洋、生物圏と、岩石圏のうちで地面や海底に近いところの薄い層(どのくらいの厚さをとるべきかは対象となる時間規模などによって変わってくるが)をあわせたものだ。ここでいう「システム」は【これはわたしがこの主題について教えるようになって10年以上たってやっと整理できたのだが】、物質・エネルギーのたまりと流れからなる構造であり、同時に、フィードバックシステムであるものだ。エネルギーと水の流れに注目した「気候システム」、炭素・窒素・リンなどの流れに注目した「生物地球化学サイクル」というとらえかたがあったが、NASA (1986)の報告書の図([わたしの日本語版])はその両者をあわせて考える必要性を示した。本書もその図を肯定的に引用している。

そのような地球システムの科学について、日本でいう新書判の百数十ページの本で、全体像を公平に述べるのは不可能だと思う。本書はLentonという人の切り口で述べた入門書だ。Lentonは、地球温暖化の話題を追いかけている人には、tipping pointあるいはtipping elementsという概念を使った議論([別ブログ2015-11-30の記事]参照)をした人、また意図的気候改変(geoengineeringあるいは気候工学)の総論(たとえばLenton & Vaughan 2013の本[読書メモ])を書く人として知られている。しかし、どういう背景をもった人か、わたしはこれまで知らなかった。

本書でわかったのだが、著者はLovelock (1979年の本など)のガイア論に関心をもち、大学院生のときはLovelockの共同研究者でもあったAndrew Watsonの指導を受けて生物地球化学サイクルを0次元モデルを使って研究していたのだ。著者は今でもガイア論を尊重し、Lovelockの1988年の著書を読者に勧めている。ただし、Lovelockは2006年([読書ノート])や2009年([読書ノート])の著書で、地球温暖化が非常に強く現われ生物圏に破局がおとずれるような将来見通しを述べた(その後2012年ごろには行き過ぎを認めたそうだが)。Lentonはそれに同調するわけではない。Lovelockがフィードバックシステムの観点に偏った(わたしなりの評価は[別ブログ2012-03-30の記事])のに対して、Lentonは質量保存を意識した生物地球化学サイクルのとらえかたもできているからだと思う。

ここから、おもにわたしの理解した要点を書くが、わたしの感想をまじえている。

第1章「Home」は序論。
著者は、地球システム科学はLovelockのガイア論から始まったととらえる。ただしその前にさきがけと言えるものはあり、とくにRedfieldの1934年の海洋の窒素とリンの比に関する研究は第3章でとりあげている。ガイア論の要点は、生物に環境を制御する(負のフィードバックをつくる)働きがある、ということだ。ただし、著者はガイア論を「生物が意識をもって環境を自分につごうのよいように変えようとする」というような目的論的な考えとは見ないで、自然科学の学説としてとらえる。
地球史を通じて、太陽からくる放射がふえているのに対して、地球環境は液体の水が存在できる温度に保たれている。そのしくみとして有力なのは、Walkerたちが1981年の論文で示した、二酸化炭素の温室効果に対するケイ酸塩岩石の風化による負のフィードバックである。(なお、著者はWatsonたちの研究にしたがって、このフィードバックは生物の活動によって強化されていると考えている。この点は研究者によって考えがちがうと思う。)

第2章「Recycling」は、生物地球化学サイクル、とくに、酸素、炭素、リン、窒素の循環を概観する。

第3章「Regulation」は、地球システムがどのように制御されているかという話だが、具体的には、生物地球化学サイクル、そのうちでも、顕生代約5億年間の、大気中の二酸化炭素(その温室効果によって変化する気温)・酸素・岩石圏に埋没する有機炭素の変遷を、海洋の栄養元素(リン・窒素)と関連づけた議論をしている。著者が大学院生のときにかかわったCOPSEモデル(Bernerの炭素循環モデルの発展)にもとづいたものだ。
なお、生物地球化学サイクルは負のフィードバックに働くとは限らない。第四紀の氷期サイクルでは、炭素循環は温度の変化を強化するような変化を見せている。

第4章「Revolutions」。この章の議論はLenton & Watson (2011)の本の要約だそうだ。
最近30年ほどのあいだに「生命と地球環境の共進化」という考えが発達した(ただしこの「地球環境の進化」はDarwin型の自然選択による進化ではない)。その知識は、地層に残る証拠と、生物をつくる分子(とくにDNA)に残る進化過程のあとに基づいている。
地球史のなかで、いくつかの大きくて急な変化(「revolutions」)があった。そのなかでも、生物進化・地球環境の両面で重要なのは、酸素を出す光合成をする生物が発達したことである。その発達はいくつもの段階をへてきたが、なかでも24億年前ごろ酸素濃度が桁ちがいにふえた。それ以後、複数回のsnowball earthが生じたようだが、それは生物の光合成能力の向上と有機物の埋没につごうのよい条件が重なって大気中の二酸化炭素濃度が下がったことで起きたと考えられる。

第5章は「Anthropocene」([別ブログ2016-02-06の記事]参照)。Ruddimanによる、人類は完新世の早い時期から地球システムを大きく変えてきたという説([Ruddiman (2006)の読書ノート]参照)にもふれている。しかし、著者は基本的に、化石燃料が多く使われるようになってからの炭素循環・(化学肥料による)窒素循環などの改変が重要と考えている。

第6章「Projection」。章の前半は、地球温暖化の予測といわれる仕事が、どのようなモデルをどのような設定で使っておこなわれているかの紹介。きびしい意味での予測ではなく、社会変化のすじがきを仮定してのシミュレーションなので、predictionでなくprojectionという。

第6章の後半は tipping の話。これは天秤が一方から他方にふれるような変化をさす。著者は、(地球温暖化に関連して) snowball earthのような地球システム全体のtippingが起こる可能性は低いと言う。しかし、地球システムの部分のtippingが起こる可能性が無視できないのだとして、そのような部分をtipping elementsと呼ぶ。
Tipping elementsの例として、まず、海洋の深層循環と、大気のモンスーンをあげている。前者の変化が後者の変化を起こす可能性があると考えているらしい。(わたしも、海面水温の緯度分布を中間項と考えれば、因果連鎖はありうると思う。しかしモンスーンが変化する原因はほかにもありそうだ。)
次に森林が大規模に枯死すること。原因としては、水不足のほか、温度上昇の直接あるいは害虫などを介した影響の可能性をあげている。
雪氷圏については、海氷、凍土、氷床のそれぞれにtippingの可能性がある。
海洋生態系については、まず、サンゴ礁が海洋酸性化と温暖化によって大規模に死滅する可能性がある。また、温暖化と窒素・リンなどの栄養元素の供給の組み合わせで、海洋無酸素層が発達し、多くの種類の生物が死滅する可能性がある。

第7章「Sustainability」
生物圏がこれまでなんとか持続してきたからといってこれからも持続可能である保証はないが、人間圏(人間が物質・エネルギーを動かしている世界)の現状は明らかに持続不可能なので、生物圏の次のような特徴は持続可能になるためのヒントとなる。

• 物質資源がリサイクルできている(現在の人間圏は鉱物資源を消費、廃物を出す)。
• エネルギー資源が持続可能である(現在の人間圏は化石燃料を消費している)。
• システム内に調節(負のフィードバック)のしくみがそなわっており、resilienceがある。

指数関数型の成長は資源の限界にぶつかる。Meadowsほか(1972年の本)[30周年の本の読書ノート]の「成長の限界」の議論は定性的に正しい。その後の経験で、「開発」が進めば人口は安定化するようだが、エネルギーと物質の消費がふえる。

エネルギー資源については、化石燃料は持続可能ではなく、太陽エネルギーに向かう必要がある。風力・水力なども間接的な太陽エネルギーの利用だが、本書では話題を太陽光発電に限ってしまっている。太陽光は間欠的なエネルギー源なのでエネルギー貯蔵が重要であることも指摘する。なお、核分裂は化石燃料に相対的にはまし、地球上で核融合が可能になればさらにましだとしている。
物質資源については、とくにリン、鉄、アルミニウム、微量金属などのリサイクルが必要だとする。リサイクルにはエネルギーが必要だが、岩石圏からあらたに取り出すよりもエネルギー節約になることが多い。

それから「planetary boundaries」の話になる。Rockströmの2009年の論文のままではなくその後に改訂された定式化によっているらしい。ある限界を避けようとして他の限界に近づいてしまうという相互trade-offもあることも指摘している。なお、気候変化に関しての限界は二酸化炭素濃度350 ppmだと言っている。わたしは、これを(百年の時間規模で)めざすべき目標値として設定する話ならばわかるのだが、boundaryとするのは悲観的すぎるような気がする。根拠となった論文をさがして見てからまた考えたい。

いまの地球システムには、意識をもつ人間がいる。人が、地球システムの変化を把握(モニター)して、それに影響を与える人の活動(たとえば燃料の使用)を意図的に調節する、という形をとれる可能性がある。そのためには、モニタリング能力を高めることが必要だ。

モニタリングによって、システムの感度が高まっているとか、変動が大きくなっているとかが認識できれば、急激な変化のまえぶれをとらえることができるかもしれない。(と著者はいうのだが、わたしは、急激な変化の前にどんな形のまえぶれがあるか予想するのはとてもむずかしいと思う。)

次に対策の話になるのだが、地球環境変化一般の対策と、地球温暖化対策の話がまじって、筋がわかりにくくなっていると思う。
地球温暖化の対策は、大きく、原因である二酸化炭素濃度を減らすことと、結果である温度を強制的に下げることに分けられる。
二酸化炭素濃度を減らす方法を、排出削減、自然の吸収源を強化すること(森林育成、農地の耕起を減らす、biochar、風化促進を含めている)、意図的に大気からCO2を取り除くこと、に分けている。
(ここで、上に述べた吸収源強化を「負のフィードバックを強める」ことだとし、砂漠(の過去に植生があった部分)の緑化などを、「正のフィードバックを強める」、つまり望ましくない状態から望ましい状態への移りかたを速める策として別にとりあげている。この表現の意味はわたしにはよくわからない。)
温度を強制的に下げる方法としては「geoengineering」の一種とされている太陽放射改変がある。このような方法をもし実行するとすれば、効果をしっかりモニターして調節できる(意図的フィードバックをかけられる)ようにしておくことが前提だ。

(温暖化の話を離れるが)「緑の革命」は、 すでに実行された意図的地球システム改変の例とみられる。食料生産をふやすために、農地をふやさずに(土地被覆の改変は少なくして)、肥料を多く供給した(窒素循環を大きく改変した)。

持続性をめざす活動は、協力・利他性を必要とする。とくに地球環境に意図的にフィードバックをかけるのは高度な協力体制を必要とする。「共有地の悲劇」の問題がある。そこからの脱出が必要だ。その方法の案は、汚染者に費用を負担させることだ。

経済活動は、物質の循環という観点では(準)定常状態にする必要がある。エネルギーの利用にも熱力学の制約がある。経済成長と物質やエネルギーの量との間のdecouplingは進むだろう。著者は「経済成長を止めるわけではない」とも言っているし「経済は無限に成長することはできない」とも言っているが、前者が相対的に短期的、後者が長期的な認識だとすれば矛盾ではないのかもしれない。

地球システム科学の対象には人間活動も含むので、地球システムは社会科学や人文学をとりこむ必要があり、それによって社会科学や人文学を変えていくことになるだろう。

第8章「Generalization」。
まず、遠い将来を考える。太陽が出すエネルギーがふえ、大気中のCO2を減らすことによる調節は限界に達して、生命が持続不可能な高い温度になる。そうなるまでの時間は(なん億年かになりそうだが)、これまでの地球の生命の歴史よりも短い。

次に、他の恒星系の惑星に生命がいる可能性を考える。ここでは地球の生命と似た化学物質からなる生命を考えるので、液体の水が存在する条件が生命の存在の前提となる。そのような惑星の地質や気候はどうなるだろうか。生命ができたとして、それはガイアのような環境調節の働きをもつだろうか。そういったことが、地球システム科学を一般化した惑星システム科学の課題になるだろう。

文献

• Tim Lenton and Andrew Watson, 2011: Revolutions that Made the Earth. Oxford University Press. [わたしは読んでいない]
• James Lovelock, 1979: Gaia: A New Look at Life on Earth. Oxford University Press.
• [同、日本語版] J.E. ラヴロック 著、スワミ・プレム・プラブッダ 訳 (1984): 地球生命圏 — ガイアの科学。工作舎。[わたしはどちらの版も読んでいない。]
• James Lovelock, 1988: The Ages of Gaia: A Biography of Our Living Earth. Oxford University Press.
• [同、日本語版] J. ラヴロック 著、スワミ・プレム・プラブッダ 訳 (1989): ガイアの時代 — 地球生命圏の進化。工作舎。[わたしはどちらの版も読んでいない。]
• Earth System Sciences Committee, NASA Advisory Council, 1986: Earth System Science: A Program for Global Change. Overview. NASA.

折り返しのあとに詳しい目次をつける。

= 目次 =
Contents
List of Illustrations
Chapter 1. Home
– Signs of life
– The faint young Sun puzzle
– The Gaia hypothesis
– Feedback
– Climate regulation
– Snowball Earth
– Escaping a snowball
– Global change
– Defining the Earth system
Chapter 2. Recycling
– Biogeochemical cycling
– The oxygen cycle
– The carbon cycle
– Isotopic constraints
– The phosphorus cycle
– The nitrogen cycle
– Earth’s metabolism
Chapter 3. Regulation
– Basic concepts
– Biogeochemical models
– Nutrient regulation
– Oxygen regulation
– Long-term carbon dioxide regulation
– Short-term carbon dioxide regulation
– A historical example
– Biogeochemical climate feedbacks
– How good is Earth’s climate regulation?
– Changing stability
Chapter 4. Revolutions
– The evidence
– Deep time
– Origin of the Earth
– Origin of life
– Origin of recycling
– Origin of oxygenic photosynthesis
– The Great Oxydation
– Origin of eukaryotes
– Neoproterozoic turmoil
– Common features
Chapter 5. Anthropocene
– Environmental preconditions
– Fire use
– Farming
– The early Anthropocene hypothesis
– Fossil fuels
– Changes in land-use and nutrient cycles
– Carbon cycle change
– Climate change
– Human planet
Chapter 6. Projection
– Earth system models
– Testing the models
– A spectrum of models
– Projection rather than prediction
– Storylines
– Global warming
– Spatial patterns
– Tipping points
– Ocean and atmosphere
– Land biosphere
– Cryosphere
– Marine ecosystems and biogeochemistry
– Emergent simplicity
Chapter 7. Sustainability
– Earth history lessons
– Exponential growth meets finite resources
– Sustainable energy
– Material recycling
– Planetary boundaries
– A self-aware feedback system
– Early warning signals
– Response options
– Earth system economics
– Broadening the field
Chapter 8. Generalization
– Lifespan of the biosphere
– The habitable zone
– Extrasolar planets
– Life detection
– Exoclimates
– Exogeology
– Exobiospheres
– Exo-Gaias?
– Exo-Earth system science
References
Further reading
Index