横山 祐典 (2018) 地球46億年 気候大変動

  • 横山 祐典[ゆうすけ], 2018: 地球46億年 気候大変動 — 炭素循環で読み解く、地球気候の過去・現在・未来 (ブルーバックス B2074)。講談社, 334 pp. ISBN 978-4-06-513515-0.

2018年10月の新刊。わたしは出てすぐ買ったのだが、読むのは正月になった。

地球の気候の歴史についての入門的な読みもの。地球科学の知識をつたえようともしているのだが、それがどのようにしてわかったかのほうに重点をおいてかかれている。著者自身がかかわった研究の紹介になっている部分もあり、重要な発見をした人の伝記のような部分もある。著者の共同研究者でもあり本書の謝辞にも出てくる大河内 直彦さんの『チェンジング・ブルー[読書ノート][文庫版読書メモ]と似た感じの本だ。ただし、『チェンジング・ブルー』の話題が、地球の歴史のうちでは最近の約2百万年間の「第四紀」の氷期サイクル(本書では第7章の話題)と、氷期のうちの千年くらいの時間スケールの変動(本書では第10章の話題)であるのに対して、本書は、地球の歴史全体にわたる多くの話題をとりあげている。横山さんも執筆者のひとりだった、東京大学 地球惑星システム科学講座 (2004) 『進化する地球惑星システム[読書メモ]の、全部ではないが半分くらいの話題を、ひとりで書いてしまったようなものだ。わたしは著者のことは第四紀の海水準変動の研究者としては知っていたのだが、原生代や白亜紀の問題にもとりくんでいることはこの本で知った。

たくさんの人名や専門用語が出てきてそれぞれの説明がすくなくても読みすすめられる人にはたのしめる本だと思う。理屈に飛躍があると止まってしまう人にはすすめにくい。「フィードバック」などシステムに関する用語が出てくるがその説明はじゅうぶんでないと思う。『進化する地球惑星システム』の総論の章でおぎなうとよいかもしれない。

登場する人名のほとんどは かたかな で書かれているのだが、このメモでは、本書で文献の著者名としてあらわれている情報や、外の情報によって、アルファベット表記でかくことがある。

第1章 気候変動のからくり
地球の気候の変化をおこす要因として、大気中の二酸化炭素が温室効果をもつことが重要だ (紹介される人びとは、Fourier, Arrhenius, Callendar, Revelle, Suess, Keelingなど、Weart『温暖化の発見[読書ノート]のはじめのほうと共通)。

そして、地球の歴史のなかで大気中の二酸化炭素濃度を変えてきたのは炭素循環であり、そのうちでも、ケイ酸塩岩石が風化し炭酸塩として堆積することで、大気中の二酸化炭素を吸収することが重要だ (Walker, Kasting)。この効果と雪氷アルべドフィードバックによって全球凍結(snowball earth)になったこともあるらしい。そこからの回復をもたらすのは火山ガス起源の二酸化炭素の供給だろう(Kirschvink, Hoffman, 田近)。

【第1章の最後に「エキソジェニックシステム」と「エンドジェニックシステム」ということばが出てくる。英語のexogenic systemとendogenic systemにちがいなく、直訳すれば「外生的システム」「内生的システム」となるだろう。わたしならば、同じ気候システムについて、その変動の原因がシステム外にある状況とシステム内にある状況を区別するためにつかうことがありそうだ。著者による説明は、それとはちがうようだが、どこまでをシステム内と考えているのかがわたしにはよくわからない。この用語がわからなくても本書のほかの部分を読むのにはさしつかえなさそうだ。】

第2章 太古の気温を復元する
第2次大戦直後ごろ、Ureyは、化石中の化合物の酸素同位体比から、その生物が生きていたときの温度を推定できると考えた。UreyのもとでEpsteinがそれを実現した。
Shackletonは測定技術を精密化した。そして底生有孔虫の酸素同位体比からUreyたちの方法で第四紀の氷期の海水温を推定すると、海水がこおる温度よりも低くなってしまった。同位体比は温度よりもむしろ氷床と海との質量分配をあらわしているのだ。

【つまらない指摘だが、第2章の冒頭で、ガリレオについて「天動説を唱えた」は「地動説を唱えた」あるいは「太陽中心説を唱えた」のまちがいだろう。(動くほうと中心とどちらに注目するかをまちがえやすい。)】

第3章 暗い太陽のパラドックス
太陽物理の標準モデルによれば、地球形成初期には太陽が出す放射エネルギーは現在の70-75%ぐらいだった。そうすると、(地球の大気がいまと同様ならば) 地球の水はこおっていて、氷は水よりも太陽光反射率が大きいから、太陽放射が現在の値になってもこおったままだろう。しかし、地球には、おそくとも27億年まえから、液体の海がある。これをパラドックスとして論じた人としては、Carl Saganがよく知られているが、そのまえにRingwood (1961年)と、コロンビア大学Lamont地球研究所のDonnがいた。

太陽の標準モデルがまちがっているという考えもあった。太陽ニュートリノの観測された量が理論から期待されていた量よりもだいぶ少なかった。しかし、梶田ほかによってニュートリノには質量があることがわかり、標準モデルとニュートリノの観測とのくいちがいは解消された。

パラドックスを解消するには、大気に温室効果をもつ成分が適度にふくまれていればよい。Sagan & Mullen (1972年)はアンモニアと推測したが、のちの研究によれば、鉄のコアの形成は早かったので、大気は還元的でなく、アンモニアはなかっただろう。また、雨がふればアンモニアは水にとけて大気からとりのぞかれる。二酸化炭素ならば、現在の100倍以上あればよい。しかしそれが当時の気圧のもとでありうる値かどうか(雨の痕跡による気圧の推定にも疑問がのこる)。二酸化炭素とメタンの両方がきいているとも考えられる。また答えは確定していないが、もはやパラドックスではなく、答えがありそうな問題になっている。

第4章 「地球酸化イベント」のミステリー
【「酸化」にあたる英語が oxydation となっていたり oxygenation となっていたりするが、両方の用語がつかわれているらしい。】
地球大気中の酸素濃度の上昇は、25-20億年まえに現在の10万分の1以下から100分の1へ、7-5億年まえに100分の1からほぼ現在のレベルへと、2段階でおこった。これは光合成をする生物が進化した結果にちがいないのだが、生物進化と同時におこっているわけではない。

著者と尾崎 和海をふくむチームは、このメカニズムを研究し、Lee ほか(2016年、Nature Geoscience)の論文として発表した。

シアノバクテリアは30-27億年まえに出現した。しかし、光合成でつくられた酸素を岩石がとりこんでしまうので、大気中の酸素濃度があがらなかった。28-24億年まえ、大陸地殻が「苦鉄質」から酸素を消費しにくい「珪長質」に変化した(ジルコン鉱物によってわかる)。それから大気中の酸素濃度が上昇した(硫黄の同位体から、オゾン層ができたと推測される)。

大陸地殻が成長するのにともなって浅い海がふえ、光合成でつくられた有機物をたもてるので、原料となる二酸化炭素の貯蔵がふえた。ただし、有機物が露出しているとそれを酸化するために酸素を消費してしまう。大気中の酸素濃度が、露出した有機物を全部酸化しても残るくらいまでふえると、それから急上昇した。

なお、Lyonsや田近は、全球凍結のあと、リンなどの海洋への流入で、光合成が活発化した、という要因を指摘している。

第5章 「恐竜大繁栄の時代」 温室地球はなぜ生まれたのか
白亜紀の二酸化炭素濃度は高かった (植物の気孔などから、1000~2400 ppmと推定される)。
そのおもな原因は、火山活動が活発だったことだと考えられている。白亜紀には、大量の玄武岩による海台がいくつも形成された (スーパープルームによると考えられている)。プレート移動速度もはやくなった。
これが定説になりかけていたが、新しい研究によれば、プレート運動は今より特別にははやくなかった。海台の形成も時代の長さにくらべて頻繁ではなかった。
そこでCin-Ty Leeと著者が検討した。白亜紀には、陸弧が長く(現在の2倍)分布していた。また、プレートが軽かったので、浅い海や大陸棚が広かった。そこに炭酸塩岩が形成された。それがマグマの融点を下げた。このようなしくみで、大気に大量の二酸化炭素を供給することが可能だったと考えられる。それは、白亜紀にかぎらず、くりかえしおこりうる。

第6章 大陸漂流が生み出した地球寒冷化
新生代をつうじた寒冷化傾向がある。
これの説明として、インド亜大陸がユーラシアに衝突し、ヒマラヤ・チベット山地が形成され、岩石の風化による大気中の二酸化炭素の吸収がふえた、という説をRaymoが提唱した。風化・二酸化炭素・気候の連鎖はChamberlinが1899年に提唱した説とおなじだ。
しかし、大気中の二酸化炭素の減少は、ヒマラヤ・チベットの隆起よりも早くはじまっている。
Jagoutz [ヤゴウツ] は、海洋地殻起源のオフィオライトという岩石が地表に出て風化される、という説をだした。8000万年まえにアフリカ、5000万年まえにインド亜大陸で、オフィオライトが露出し、そこが熱帯降水帯にあたるので風化が速くすすんだ。(ヒマラヤができたころは、その岩石は乾燥帯にきたので、風化はあまりすすまなかった。) 【著者はこの説でよさそうだと考えている。わたしは、亜熱帯は乾燥地帯である可能性が高いとはいうものの、かならず乾燥しているわけではないので、当時の乾湿をよりよく知りたいと思った。】
風化は温暖化に対して負のフィードバックになっているのだが、現在の人類による大気中二酸化炭素増加にはおいつきそうもない。

第7章 気候変動のペースメーカー「ミランコビッチサイクル」を証明せよ
氷期の存在が認識されたことは Agassiz だけで代表させている。その原因に関する議論、しかも地球の公転・自転の軌道要素による説に話題をしぼっている。Crollの仕事については、Lyellが1865年の『地質学原理』第10刷でおおきくとりあげたことにふれている。

そしてMilankovitch (1879-1958)の話になる。【もちろんその理論が説明されているのだが、このメモにはわたしにとって新しかったことを書いている。】当初は土木(コンクリートなど)の研究者だったが、1909年から応用数学を教える立場になった。1913年に「日射の地球表層での分配についての研究」を発表した。第一次大戦中は、ブダペストに抑留されたが、アカデミー図書館を使うことはみとめられた。13万年間の日射量変化の計算結果を見たKöppenの希望により、60万年間の日射量変化を計算し、それが1924年に出たKöppenとWegenerの本で紹介されてひろく知られた。1941年に研究をまとめた本を出版した。ただし、セルビアの印刷所はドイツ軍の攻撃で破壊され、本はのちにドイツで印刷された。

この説をうらづける観測事実を得たのは、アメリカの海洋底研究、とくに、コロンビア大学Lamont地学研究所で初代(1949-)所長Maurice Ewingのもとで収集された海底コアを使った研究だった。
Imbrieはコロンビア大学にいたときは教育担当で海底コアをあつかっていなかったが、Brown大学に移ってから、Ewingの構想にのって、HaysたちとともにCLIMAPのチーム研究をした。
CLIMAPでは、Opdykeが地磁気逆転、Shackletonが底生有孔虫の酸素同位体比でコアサンプルに年代をいれた。そして、有孔虫の酸素同位体比の周期性をミランコビッチの理論と対応づける Hays, Imbrie & Shackleton (1976年)の論文を出した。(それまでミランコビッチ理論は観測事実にあわないといわれていたのだが、それは観測事実のほうの年代の多くが放射性炭素によるもので、そこにいろいろな不確かさの要因があった。)

第8章 消えた巨大氷床はいずこへ
氷床の量の増減は海水の量の増減でもあり、海水準と密接に関連する。
過去の海水準の証拠として、造礁サンゴが使える。しかし、サンゴ採取、タイプわけ、ハイドロアイソスタシー(海水の重さでその下のマントルが変形する効果)の評価などがむずかしい。
著者は1999年の論文で、オーストラリア北部のサンゴ礁で、最終氷期極大期(海水準のいちばん低かったとき)は現在よりも 125 m 低かったことをしめした。ハイドロアイソスタシーを考慮すると、最終氷期極大期の海水準は現在よりも 130 m 低かったというのが代表的な値だ。
これにいたるまでに、1960年代末のオーストラリア国立大学のグループが読売新聞社がもっていた潜水調査艇を使ったGreat Barrier Reefの調査、Fairbanksによるバルバドスの海底のサンゴ礁の調査(年代はBardがウラン・トリウムで較正した。論文1989・1990年)などがある。

氷はどこにあったか? 北アメリカの氷床が海水準 90 m 相当、北ヨーロッパの氷床が 15 m 相当。のこりの 25 m 相当は南極大陸だろう。Andersonたちが2014年の論文で示した大陸棚の海底地形と地質サンプルの研究によれば、氷床はいま海であるところにひろがっていたので、25 mは説明できそうだ。

地球温暖化が進行するとどうなるか? 東南極氷床は、温暖なほうが拡大できる。西南極氷床は、崩壊する危険がある。

第9章 温室効果ガスを深海に隔離する炭素ハイウェイ
氷期・間氷期サイクルで、二酸化炭素濃度は気温と同調して変動している。間氷期と氷期のレベルの差は 80 ppm だ。この時間スケールの大気中二酸化炭素の変動をきめるのは、海とのやりとりだ。そのしくみとして、つぎのものが考えられている。ひとつの原因だけで説明することはできそうもない。複数のしくみが並行してはたらいているのだろう。いずれにしても、熱塩循環が千年規模で動くことが重要だ。

  • (1)「溶解ポンプ」。海水による二酸化炭素の溶解度が温度と塩分によってちがう。23 ppm を説明できる(温度で 30、塩分で -7)。
  • (2)「有機物ポンプ」。生物がつくった有機物が粒子として海底に落ちる。海底で無機炭素になるが、動きはおそい。
  • (3)「炭酸塩ポンプ」 (「アルカリポンプ」)。炭酸カルシウムの溶解によって二酸化炭素を海水にとりこむ。(ただし、炭酸カルシウムができる現場では、二酸化炭素が発生する。)
  • (4)「微生物炭素ポンプ」。微生物が分解されにくい溶存有機物をつくる。Jiaoが2010年にNature Reviews Microbiologyに出した論文で提唱した。

有機物ポンプか炭酸塩ポンプが、氷期のほうが強くはたらくしくみはあるか?

  • 鉄仮説 (Martin) … 氷期のほうが風成塵による鉄の供給が多かった。
  • サンゴ礁仮説 (B. Opdyke) … 氷期はサンゴ礁がすくないので海にとける二酸化炭素が多い。
  • ケイ酸リーク仮説 (松本 克美) … ケイソウはケイ酸不足になりやすいが、氷期には陸からのケイ酸の供給が多かった。

微生物炭素ポンプに関連する研究には、田上英一郎、山下洋平、小川浩史も貢献している。最近は、山口保彦、大河内直彦が、アミノ酸同位体分析でとりくんでいる。

第10章 地球表層の激しいシーソーゲーム
Dansgaard-Oeschger (D-O)サイクル、Heinrich イベントといわれる現象について。

Dansgaard (1922-2011)は、最初に気象庁に就職し、グリーンランドでの観測を担当した。(しかし苦労したわりに評価されなかったと感じた。) 1949年、コペンハーゲン大学の生物物理学研究室に、質量分析装置担当者として転職した。雨をはかってみたら、酸素同位体比は雨滴がつくられたときの温度を反映していた。そこから、はじまったばかりの同位体地球科学に専門をうつしていった。氷床掘削の技術はデンマークにはなかったが、アメリカ陸軍にあった。Langwayからグリーンランド北部のCamp Centuryのコアサンプルをもらうことができた。分析結果をみると、数年から数十年で10℃くらいの変動が何度もおきていた。Sygfus Johnsenとともに研究をつづけ、掘削装置を開発し、1979-1981年にグリーンランド南部のDye 3 のコアを掘削した。

ベルン大学のOeschgerはベルンの近くの湖の堆積物の酸素同位体比を分析し、水温をあらわすと考えていた。その曲線はDansgaardのグリーンランドの氷の同位体比の曲線と似ていた。そこでD-Oサイクルが認識された。そのうちいちばんあたらしい寒冷期は、Younger Dryas期にあたり、12900-11600年まえである。

Heinrichは、ドイツの海洋地質学者で、気候変動は専門ではないが、北大西洋の堆積物中に大きな岩屑がふくまれる層をみつけた。それは氷山がはこんだものと考えられる。これにBroeckerが注目し、Bondが解析した。6.5万年まえから1.5万年まえまでの6回がみとめられている。【図10-12。この図の「ハインリッヒイベント 1」などの注記は、たてにのびる破線に対応するのだが、破線にはさまれた区間をさすように見えるのが残念だ。】

D-Oサイクルを4~5回くりかえすと Heinrich イベントがおきる、という規則性があるようだ。メカニズムはじゅうぶんわかっていないが、氷床の成長と崩壊が関連しているにちがいない。

D-O変動は南北半球で逆位相になることに、Crowley が気づいた。まず熱塩循環のシーソーとして解釈され、さらに海が熱をたくわえる働きをふくめた、JohnsenとStockerのモデルがつくられている。

エピローグ
ここで著者は、地球温暖化(とくにそれにともなう海水準上昇)にそなえることは重要だという論調をつよめている。そのためにも過去の気候の復元推定は重要だとも主張している。

地球温暖化のリスクが大きいという認識の背景には、著者自身がかかわった小笠原諸島と喜界島での調査によれば、サンゴの骨格形成能力がにぶっており、海洋酸性化の悪影響は水槽での飼育から推定されたよりも強いらしい、という知見もある。

また、最近出た2つの論文で、大西洋の熱塩循環が弱まっていることが指摘された(ひとつは数十年、もうひとつは千年規模の議論だが)。それにもかかわらず、寒冷化でなく温暖化が進行しているので、人間活動起源の二酸化炭素の効果は強力だという認識を強めたそうだ。【しかし、大西洋の熱塩循環が弱まると、ヨーロッパや北アメリカ東部が寒冷化するのはもっともだが、グローバルな寒冷化をもたらすことを予期するのは、欧米と世界を混同した感覚ではないか? 地域ごとにちがった気候変化であっても世界にとって重要になりうるので、熱塩循環の変化を警戒するのはもっともなのだが。】

ミランコビッチサイクルの見とおしについては、Berger & Loutre (2002年、Science)にもとづいている。【これはよい研究であり、日射量の計算は精密だが、気候システムの応答は単純なモデルで計算したものなので、決定的な知見とはいえないと思う。】それによれば、二酸化炭素濃度 400 ppm が続けば、今後5万年間は間氷期が続く。750 ppmをこえると、やがて氷床がない時代に移ってゆく。

折りかえしのあとに目次をつける。

== 目次 ==
プロローグ
目次
第1章 気候変動のからくり
– 天才科学者たちを魅了した気候変動研究
– 二酸化炭素が地球温暖化を引き起こす
– 大気二酸化炭素濃度を計測せよ
– 炭素循環の壮大なサーモスタット
– 冷えすぎるとスノーボールに
– エキソジェニックシステムとエンドジェニックシステム
第2章 太古の気温を復元する
– 古気候研究に新たなフロンティアを拓いたユーリー
– 同位体温度計の開発
– 隣国にいたキーパースン
– 「運命の電話」
– 「標準物質」でズレをはかる
– 理想のガスを作る「秘密のレシピ」
– DNA発見に匹敵する偉業
– 自然界の試料を用いた時の同位体温度計の「盲点」
– 同位体温度計の欠点を克服したシャックルトン
第3章 暗い太陽のパラドックス
– カール・セーガンの置き土産
– 地球誕生当時は、太陽はずっと暗かった
– 「マイナス10℃でも生命誕生」の不可解
– 足りないパズルピース: ニュートリノ
– 弱い太陽の光と氷の世界
– 太古の地球の海は「ぬるま湯」だった?
– パラドックスの謎を解く
– 「アンモニア主犯説」
– 「二酸化炭素単独主犯説」
– 「メタン共犯説」
– 実はパラドックスではなかった?
第4章 「地球酸化イベント」のミステリー
– 地球を「生命の星」にした2回の酸化イベント
– 実はありふれた元素だった酸素
– 光合成生物はいつ誕生したのか
– GOEはなぜ起きたのか?
– NOEはなぜ起きたのか?
– 「巨大な炭素貯蔵庫」の整備を待ったNOE
第5章 「恐竜大繁栄の時代」 温室地球はなぜ生まれたのか
– 「恐竜の時代」は超温暖時代だった
– またもやプレートテクトニクス!?
– 海底探査の無限のフロンティア
– 海のビッグサイエンス
– 海の底に穴をブチ開ける
– 科学史上に残るパラダイムシフト
– 太平洋の海底に残る最古の地質
– 白亜紀の二酸化炭素濃度が異常に高かった理由
– 本当にそう言い切れるのか?
– 「地球のオーブンレンジ」 火成活動がはたした謎の役割
– 固体地球と気候変動の切っても切れない関係
第6章 大陸漂流が生み出した地球寒冷化
– 恐竜絶滅後に起きた急激な寒冷化
– 冷えすぎ注意
– 南極大陸になぜ巨大氷床が形成されたのか?
– 太古の南極氷床を復元する
– 南極氷床崩壊の危機が迫る
第7章 気候変動のペースメーカー「ミランコビッチサイクル」を証明せよ
– セントラルパークの「謎の石」
– 46歳から始めた地球科学
– セルビアが生んだ天才、ミランコビッチ
– 引き継がれた氷期-間氷期研究のバトン
– チームCLIMAP誕生
– 再びのシャックルトン
– ミランコビッチは正しかった
第8章 消えた巨大氷床はいずこへ
– 氷床量を復元せよ
– 潜水艇「よみうり号」の功績
– ミランコビッチサイクルを証明したバルバドス島のサンゴ礁
– 消えた巨大氷床、ミッシングピースはいずこに
– 南極氷床復元でわかった意外な結果
– やはり南極巨大氷床は存在した
– 暖かくても南極氷床が大きくなる「意外な理由」
第9章 温室効果ガスを深海に隔離する炭素ハイウェイ
– 深海に炭素を送り込む「3つのポンプ」
– 氷期の二酸化炭素濃度低下はなぜ起きたのか?
– 「鉄仮説」
– 「サンゴ礁仮説」
– 「ケイ酸リーク仮説」
– 二酸化炭素を1000年間隔離する驚異の熱塩循環
– 北太平洋の深海の水が一番古かった
– 第4のポンプ「微生物炭素ポンプ」
第10章 地球表層の激しいシーソーゲーム
– 氷床に刻まれた古気温を復元する
– 冷戦時代のミサイル基地が気候変動研究に貢献
– 氷に閉ざされた過去の気温
– 湖底に残された大規模な「寒の戻り」
– 巨大氷床が引き起こす急激な寒冷化
– 周期はなぜ生まれるのか?
– 南半球と北半球の気候を決める「見えざるシーソー」
エピローグ
謝辞
参考文献
さくいん

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