|
|
| ミランコヴィッチメニューへ戻る 気候摩擦と地球の斜度 抄録 過去800万年の地球の主要な氷河期エピソードである後期鮮新世-鮮新世(約0-3Ma),ペルモ-炭素紀(約260-340Ma),新新新生代(約750±200Ma)の気候摩擦シナリオを再検討した。周期的な斜度の変化に対応して、氷と水の質量の再分配と地表面荷重に対する等張性の調整が地球の動的楕円度に影響を与えていることがわかった。 質量再分布の応答が遅れると, 地球の斜度の進化に「気候摩擦」と呼ばれる世俗的な現象が導入される可能性がある. 我々は日射強制に対する氷床の非線形応答とMaxwell粘弾性レオロジーを用いた層状モデルを用いて斜度-斜度フィードバックを解析した。北半球の氷河の発生(約3Ma)以降の平均ドリフト量は約0.01 deg Myr-1であり、主な変調斜度期間である約1.2 Myrの変調斜度によって変調されていることを予測した。 この値は、高分解能の酸素同位体記録を用いて氷床履歴を推定した場合にもよく再現されている。また、以前の氷河では、気候摩擦の影響は、以前に想定されていたように、氷期荷重の振幅に比例しないことがわかった。氷床の非線形な応答が増加する可能性があり、その結果、氷床の斜度の変化が氷河変動への寄与を強く制限し、それによって気候摩擦の振幅が増大する可能性があることがわかった。 スタールティアン氷河期の低緯度の氷河期(約700-750 Ma)は、おそらく斜度に影響を与えないが、ヴァランゲル氷河期(約570-620 Ma)では、最大で2°の絶対変化が起こりうると予測した。我々は、このメカニズムが、G.E. Williams (1993)の高い斜度のシナリオを支持するために、以前にD.M. Williamsら(1998)によって提案されたような、実質的で急速な斜度の減少(∼30°)を説明することができないことを示している。全体的に、我々は、気候摩擦が過去800万年の間に3-4°以上で地球の斜度を変更することができないことがわかります。 1 はじめに 地球の斜度は古気候の主要な量の一つである。地球の斜度は、各半球の季節的なコントラストと入射太陽放射の緯度分布の両方に影響を与える。地球の斜度の準周期的な変動は、入射日射量を制御する地球の軌道パラメータ（偏心、気候偏移）の長期的な変動と結びついており、鮮新世後期から清新世にかけての気候の極端な変化に大きく関与している。深海堆積物の有孔虫の殻から抽出した同位体比δ18Oの解析から、ミランコビッチが提唱した天文学的な強制力と同じ周期で全球氷量が変化していることがほぼ明らかになった。 特に、北半球での氷河の発生（約3Ma）以降に発生した顕著な氷河-脱氷エピソードの連続は、主な41 kyrの斜交サイクルが大きく支配していることを示している（Ruddiman et al. 氷河変動は、よく知られている新世中期遷移(約0.8 Ma)では支配的な100 kyr周期にシフトしているが、斜交帯には依然として大きなパワーを含んでいる(Hays et al. 1976; Imbrie et al. 1984)。地球の平均斜度に影響を与える一つの散逸的なメカニズムは、「気候摩擦」と呼ばれるもので、氷河と斜度運動の間の正のフィードバックを通して作用する。 氷河期と間氷期の状態の間の振動は、斜度の変動によって部分的に引き起こされ、氷床と海洋の間の大量の水の移動によって特徴づけられ、それによって地球の形状が変化し、その動的な楕円度の変動を引き起こす。表面荷重のかなりの部分は地球内部の粘性流体によって補償される傾向があるが, 動的楕円度の変動は依然として小さな斜位に誘起された周期項を含んでおり, これは地球の偏向運動, したがって斜位振動に外部強制関数として作用し, 共鳴励起に類似したものである. 重要な結果は、平均斜度の世俗的なドリフトが、地球上と地球内部の両方での質量の再分配における遅延応答を介して生じるかもしれないということである。 一方では氷床の斜度変動に対する応答に関連した 2 つの遅延的かつ散逸的なプロセスが存在し, 他方ではマントルの表面負荷に対する粘性の調整に関連して, それぞれの位相遅れの大きさに応じて斜度の増加または減少のいずれかをもたらす可能性がある. いくつかの以前の分析は, 火星に適用されるように, この現象を検討した (Rubincam 1990, 1993, 1999; Spada & Alphonsi 1998; Bills 1999). 地球については、火星の潜在的な影響を推定しようとする試みが数多く行われてきたが、世俗的なドリフトの振幅や方向については大きな議論があった。 Bills (1994)は、氷河期が途切れることのないパラメータ化されたモデルを用いて、100 年後には 60°以上の非常に大きなドリフトが可能であると推定した。しかし、典型的な氷期サイクルを通じた力学的楕円度の正味の変化は1パーセントのオーダーになると主張されており、これは等張調整が不可能な剛体地球の場合にのみ推定される上限値である。Rubincam (1995) は, 世俗的な斜度変化の解析的説明を導き, ニュートンレオロジーを持つ一様球体からなる単純なダーウィンモデルを用いて緩和過程を記述した. 彼は、地球の斜角の変化はおそらく正の変化であり、過去のすべての氷河期が第四紀の条件に近いものであれば、地球の全氷河期の歴史(約450万年)にわたって15-35°以上の変化はあり得ないことを示唆した。この速度は、斜角の周期的な変化を41年周期に縮小した場合に推定されたものである。Ito et al. (1995)は, 粘弾性層モデルを含めて, 氷床形成と高緯度夏季日射量との間の線形相関を用いて, フィードバックループの数値積分を計算した. それにもかかわらず, 彼らは第四紀氷河の場合には, 0.05 deg Myr-1に近い正の経年的斜角変化が計算されており, 理論的な速度(式36から再計算)である0.25 deg Myr-1とは大きく異なっていた. 逆に、D.M. Williamsら(1998)は、新生代末期の約600万年前から約5億年前までの間に、気候摩擦によって地球の斜度が100年未満で約30°よりも大きく減少した可能性を示唆しました。彼らは、恒久的な南極超大陸上にある仮説上の巨大な氷床が完全かつ周期的に衰退したことで、地球の硬直楕円度が2.6%に近い大きな相対的変化を起こし、それに比例して世俗的なドリフトが増大したのではないかと主張しました。さらに、負の方向への変化は、225°に近い斜度変化に対する極端な氷床の応答の位相遅れによって引き起こされた可能性がある。しかし、伊藤ら(1995)のように、数値的な予測値(∼-0.3 deg Myr-1)と理論的な予測値(∼-2 deg Myr-1)との間には大きな不一致が見られました。この大きな斜度の減少の重要な結果は、G.E. Williams (1975, 1993)の原生代の高斜度シナリオの自然な支持を提供することであった。 新生代は、地球がおそらくこの間に生物活動、地球化学的影響、気候レジームの極端な変化を経験したので、最近特別な注目を集めている(例えば、Knoll & Walter 1992)。特に、多くの古地磁気データや氷河の記録は、ほとんどの大陸で広範囲で激しい氷河が存在したことを示している（例：Crowell 1999; Evans 2000）。最近の古地磁気研究では、20°以下と海面での逆説的な低緯度の氷河堆積物の存在が確認されている(Schmidt & Williams 1995; Park 1997; Sohl et al. 1999)。 ウィリアムズ(Williams, 1975, 1993)は、広汎で低緯度の氷河を説明するために、高い斜度(54°以上)が約600万年前まで地球の歴史の大部分の時間にわたって持続していたことを提案した。これは、赤道帯を極域よりも寒冷化させ、顕著な季節的な気温の変化により、関連する永久凍土の特徴と同様に、優先的に低緯度の氷河を引き起こすことになる。仮説的な氷河期の終焉(約600万年前)は、古潮データが現在のものに近い斜度を示している約4億3千万年前までの200万年の間に30度以上の大きな斜度の減少と結びついていたことになる(Williams 1993)。逆に、低緯度の氷河の存在を示唆する初期の古地磁気学的研究は、世界が実質的に凍りついたときに世界的な氷河期があったという概念を導きました（Harland 1964）。この仮説は、氷河性鉄鉱床の存在によって示唆された「雪だるま式地球」仮説となった(Kirschvink 1992)。最近、新新約新生代の氷河堆積物を覆っている炭酸塩岩から得られた大きな負の炭素同位体異常のデータ（Hoffman et al. ここでは, 数値積分によって調整可能な気候摩擦の世俗的効果の再評価を提示する. その結果、伊藤ら(1995)やウィリアムズら(1998)の理論解析と数値解析の両方が、Rubincam(1990,1995)が提案した初期メカニズムと一致しないことがわかった。このような整合性が得られた後、我々は、最近の地球の主要な氷河期における気候摩擦効果の性質と主要な制約条件を詳細に調査する。これまでの研究は、第四紀の氷河期に限定されていましたが、更新世と鮮新世後期を含む北半球の氷河期(約3Ma)にまで拡張され、新生代後期の氷河期(約0-35Ma)のより激しいエピソードに対応しています。 新生代以前の氷河期は、時間的にも空間的にもまだよくわかっていない(Crowell 1999など)が、我々は、ペルモ-炭素質氷河期と新新生代氷河期の気候摩擦振幅について、いくつかの制約を与えようとしている。特に、日射強制に対する氷の体積応答の非線形性と、より大きな氷河期における氷冠の拡大の影響について議論した。特に、G.E. Williams (1993)の高斜度シナリオによって予測された、主に低緯度の氷河は、その位置が気候摩擦効果を最小化するので、地球の平均斜度に影響を与えることができないことがわかった。 明らかに、各氷河期のために開発された問題は、全く異なっています。 過去 25 年間に収集された膨大な数の高解像度で長い底生生物のδ18O 記録は、新生代氷河期のミランコビッチ周波数における全球氷量の応答のタイミングと振幅についての有用な情報を提供した。残念ながら、このような正確なデータは、それ以前の氷河期については得られていない。現在の観測値とそれに関連する気候過程をどこまで初期の氷河に利用できるかはまだ不明であるが、そのような調査のための自然で簡単なツールを提供してくれる。 本論文の残りの部分は5つのセクションに分けられている。次のセクションでは, 地球の軌道運動と周回運動の平均化された保存方程式を与え, 地球の平均斜度に対する斜度-遅度フィードバックの影響を再構成する. 第3節では, Plio-Pleistocene氷河と数値積分に用いられた動的楕円度の時間依存性の変動を計算する. これには日射強制に対する非線形氷体積モデルと粘性内部流モデルの選択が含まれる。第4節では数値積分と理論的な経年的斜度変化との比較をまとめた。第4節では数値積分と理論的な経年変化との比較をまとめ、入力パラメータに対する経年変化の感度や斜度変調の影響についても議論する。第5節では、この理論をペルモ-炭素層と新生代氷河に適用する。また, Williams et al. (1998) の先行する気候摩擦シナリオと Williams (1975) の高斜度シナリオについても議論し, 低緯度の氷河が斜度変化に与える影響についても議論する. 2 偏位の方程式 2.1 軌道と回転ダイナミクス 地球は主慣性モーメント A≦B < C の均質な剛体であり, 自転軸は主慣性軸と一致していると仮定する. 惑星の摂動と赤道バルジ上のルニ太陽トルクによって駆動されるプリセッション量(図1参照)の変動は赤道極と黄道極の2つの運動によって決定される。 |