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| ミランコヴィッチメニューへ戻る 抄録 粉塵は、入射する太陽放射を吸収または反射することで大気の放射バランスに影響を与える可能性がある1; また、鉄などの微量栄養素の海洋への供給源となる可能性もある2。粉塵の生成、輸送、沈着は、氷河期から間氷期の時間スケールでの気候変化に影響されることが示唆されている3,4,5,6。 ここでは、東南極のEPICAドームC氷床コアからのエオリアンダストの高分解能記録を提示し、過去8回の気候サイクルにわたる乱れのない気候シーケンスを提供している7,8。我々は、間氷期には見られなかった氷河期の気温記録とダストフラックスとの間に有意な相関関係があることを発見した。 我々のデータは、ダストフラックスが気候が寒冷化するにつれて南極の気温との相関性が高まっていることを示唆している。このことは、南極と低緯度の気候の漸進的な結合であると我々は解釈している。氷河-間氷期の大気輸送時間の限られた変化4,9,10は、ダストの発生源と寿命が高い氷期ダストの投入を制御する主な要因であることを示唆している。 我々は、8つの氷河期のすべての期間で観測された氷期ダストフラックスの約25倍の増加は、氷河期の間の水文循環の減少により対流圏上部の大気ダスト粒子の寿命が長くなったことに加えて、南米のダスト源が強化されたことに起因するものであると提案する。 主な内容 EPICA（European Project for Ice Coring in Antarctica）は、東南極のドームC（75° 06′ S; 123° 21′ E）で掘削された氷床コア（以下EDC）の過去80万年分をカバーしている（図1a）。このようにして、ボストクのダストフラックスの記録（図1b）は、さらに4つのサイクルに渡って拡張されている（図1c）。 氷河期-間氷期の気候変化は、過去8回の気候サイクルのほとんどで、典型的な値が800～15μg kg-1で、50対1の比率である高濃度と低濃度のダスト濃度のシーケンスによく反映されている。雪中の不溶性ダストの濃度は、大陸からの小鉱物粒子の一次供給などの多くの要因に依存しており、これは発生源地域の気候と環境条件に関連している11、積雪速度、長距離輸送、水文サイクルに関連した大気の浄化などである。 ストロンチウムとネオジムの同位体シグネチャ12により、間氷期14では他の源からの寄与も考えられるが、氷河期13では南アメリカ南部が東南極の主要な塵源であることが明らかになった。ドームCでの堆積率が低いため（水換算で約3cm yr-1）、乾性沈着が支配的であり、大気中のダスト負荷はダストフラックスによって最もよく表される15。 全ダストフラックスと氷期-間氷期の変化の大きさは、過去4回の気候サイクルにおけるEDCとVostokの記録（図1b、いくつかの年代的な違いとEDCでは10倍の分解能の違いがあるにもかかわらず）の間の類似性によって示されるように、東南極高原内で顕著に一様であり、ドームふじのダスト記録16（図示せず）によっても示されている。  図1：他の気候指標と比較したEDCダストデータ。 a, EPICAドームC(EDC)アイスコア8から海洋同位体ステージ20(EDC3タイムスケール)までの安定同位体(δD)記録。赤線と灰色の線はそれぞれコールターカウンター（55cm～6m分解能）とレーザー散乱データ（55cm平均）を示す。数字は海洋同位体ステージを示す。d, EDCダストサイズデータをFPPで表現した（方法を参照）。オレンジ色と灰色の曲線は、それぞれコールターカウンター（2年平均）とレーザー（1年平均）による測定値を示している。 EDCでは、間氷期のダストフラックスは、全新世のダストフラックス(約400μg m-2 yr-1)と類似している。しかし、気候記録の中では、より低温なもの(例えば、海洋同位体ステージ(MIS 13, 15, 17)からより暖かいもの(例えば、MIS 11, 9, 5.5)への移行と考えられている7,8の中間ブランヘ現象(MBE, 約430 kyr BP)の前後の記録には、いくつかの違いが見られる。 MBE以前では低濃度の発生は少なく、暖かい時期は約12%であったのに対し、MBE後は約30%となった。全ての８つの氷河期は、同じような大きさで、約２５分の１の平均的なダストフラックスの増加を示し、氷河期の最大値では、少なくとも１２mg m-2 yr-1のフラックスを示している。 EDC氷床コアの中で最も弱い氷河期はMIS 14と16である。MIS 14については、これは陸域と海洋の記録6,17,18から得られた知見と一致しています。対照的に、これらの記録の中のMIS 16は、第四紀後期の最も強い氷河期である。 EDCのダスト記録を800 kyr BPに拡張したことで、第四紀の寒冷期のダスト負荷が暖冷期に比べて増加したことが確認された。 EDCダストと全球氷量記録との一次類似性（図1e, r2 = 0.6）は、南半球の大規模なエオリアンデフレが更新世の氷河期に関連していたことを確認した。また、中国黄土高原の黄土・古土の磁化率記録との比較（図１f）は、大気中のダスト負荷の地球規模の変化が広く同期していることを示している。 EDCダストはコールターカウンターとレーザーセンサーの両方を用いて測定されている（方法を参照）。レーザー測定はコアに沿ってより高い分解能で得られるが、ダストサイズの校正は困難であるため、信号の相対的な変動のみが使用される。全体的に、コールターカウンターとレーザー（相対）サイズの記録（図1d）はよく一致している。 MIS 5.5, 6, 12の間のわずかな不一致は、レーザーとコールターカウンターからのサイズデータが連続した1.1mの平均値と0.5-6mごとの7cmのサブサンプルであるため、サンプリング分解能の違いに関係している可能性がある。MIS14(深度約2,900m)以降の氷床コア内では、氷中に形成された粒子の集合体が存在するため、ダストのサイズプロファイルは得られない。 この現象は、氷の間引きが非常に重要になり、-8℃以上の原位置温度では粒子の周囲が部分的に融解する可能性があるような非常に深い氷期の区間でのみEDCコアで観測されている。この問題はサンプルの超音波処理によって解決され、信頼性の高い濃度データを得ることができた（方法を参照）。 記録の上部については、一般的に暖かい（寒い）期間に、より大きな（より小さな）粒子が観測され、それは微粒子率（FPP）12の変動性に反映されており、2つの最後の氷河期に最も高い。南極中央部への塵埃の移動は対流圏の高レベルを伴い、塵埃サイズの小さな変化は輸送高度の変化を反映している可能性があり、その結果、輸送時間が変化する可能性がある12。 氷河期におけるより高いFPP値は、最終的には、より大きな地盤沈下に伴うダスト輸送の減少という観点から、氷河期にドームCの孤立性が高まったことに起因している12。 ダストと安定同位体（δD）プロファイルを比較すると、氷河期には有意な相関があり（図2）、ダストの変動の最大90％は温度変化によって説明できる。氷河期には、ほとんどのδDイベント（例えば、南極同位体マキシマ）は、ダスト濃度の低下によって示されるダストデータに対応するものを持っている。 対照的に、間氷期にはダストと気温の記録は相関していない（図2）。実際、ダストフラックスとδDの間の（対数的な）関係は、3次多項式でよくフィットする（図3）。これまでの記録を見ると、多項式からの幾何学的な標準偏差は、気候期間に関係なく、濃度が約2倍になることを示している。同様に、この関係はMBEの前後では変化していない。ダスト-δDの関係の三日月形は、気候が寒 冷化するにつれてダストフラックスの温度感受性が高くなることを示唆している。δD値が-405‰以上では、南極の気温とダストフラックスは相関していないのに対し、δD値が-425‰以下では明確な相関が見られた。この挙動は、気温が低くなるにつれて、高緯度と低緯度の気候の間で進行性の結合が生じていることを表していると考えられる。 極端な氷河期には、南極が南アメリカ南部の気候に直接影響を与えていると考えられている19,20。南極と低緯度気候の結合は、おそらく、氷河期の間に南大西洋と南大洋上で顕著に拡大した海氷21と、その結果として生じた子午線方向（北上方向）のシフトと一致している。 *** 無料版のDeepL翻訳（www.DeepL.com/Translator）で翻訳しました。 ***  δDとダストフラックスの対数値の間のダストフラックスの線形プロット（黒）と決定係数r2（青）。相関関係は両記録の2年平均値と22年の滑空窓を用いて決定した。r2 = 0.27（破線）以上の相関は95%信頼度で有意である。数字は海洋同位体組成の氷河期を示す。 フルサイズ画像 図3：EDCのダスト温度の関係  δD(参考文献8)の値をダストフラックス(いずれも55cm分解能)に対してプロットした。緑と青の点はそれぞれ 0-430 kyr BP と 430-800 kyr BP のデータを示している。重ね合わせは、log10(f) = -3.737 × 10-6(δD)3 - 4.239 × 10-3(δD)2 - 1.607(δD) - 204の三次多項式フィットで、fはダストフラックス(mg m-2 yr-1)、δDは‰(r2 = 0.73, N = 5,164)である。 フルサイズ画像 氷河期の極域への高濃度のダストの流入に影響を与える主な要因については疑問が残っている。これまでのところ、大循環モデル4,10は、熱帯・中緯度地域における氷河期のダスト輸送とフラックスを再現しており、これは全球的な再計算3とよく一致しているが、南極大陸で観測された氷河期のダスト流入量の25倍の増加をシミュレートすることはできなかった。この欠点は、現在のところソースの強度の表現が不完全であることに起因している23。 加えて、ほとんどのモデルは大気輸送の緩やかな変化を示唆している4,9,10が、EDC氷床コアにおけるダストサイズの比較的小さな変化、および2つのEPICA氷床コア24の比較によって支持されているように思われる。さらに、25倍のダスト流入の増加は主に源の強さの変化によるものであるという提案は、最後の氷河期の間に南米の源の強さが5～10倍に増加したことを示唆する南大西洋の海洋記録25,26からの証拠によって挑戦されている。 新しいEDCデータセットに基づいて、我々はダストの輸送における氷期-間氷期の変化についての新しい仮説を提案する。南極と南半球の低緯度地域で過去800年の間に異なる結合を経験したことを示す（図3）ことは、高対流圏内のダスト経路とその寿命の延長と密接に関連している。 大陸から放出されたダストに関しては、南極に到着したダストは、直径2μm程度のモードを持ち27、分布のエンドメンバーを表している。塵埃粒子のサイズが小さいため、経路上の重力沈降が非効率的（非常に長い乾性沈着寿命）になり、対流圏内の高高度での混合と拡散を可能にする。粒子の寿命は主に湿潤沈着23,28によって制約され、したがって含水率と温度によって制約される。 一例として、高さ4-6km、平均気温約-40℃の経路（南極上空で観測されたのと同様の条件）に沿って、南洋上の海面温度の同様の変化29に関連して5℃の温度低下は、飽和水蒸気圧を約半分に減少させる。 このような前提の下で、二次元モデル28では、南極へのダストフラックスの増加が最大で5倍になることが示された。したがって、氷河期の南極高原上のダストフラックスの約25倍の増加は、南極と低緯度の気候とより冷たい気温との漸進的な結合によって説明でき、一方が他方に影響を与え、南アメリカ南部のより強いエオリアンデフレと、南大洋上の高高度対流圏におけるダスト粒子の経路に沿って著しく増加したダスト粒子の寿命につながることになる。 このようにして、新しいEDCデータセットは、氷期-間氷期サイクルのダストサイクルのモデルに重要な制約を与えるものである。 方法の概要 装置 コールターカウンターマルチサイザーIIeの測定用サンプルは、LGEで超純水で洗浄して除染した離散サンプル（長さ7cm）から得た。我々は、ref. 12（およびその中の参考文献）に記載されている分析手順を採用した。 合計約 1,100 個の値が得られた。 レーザー散乱データは、コペンハーゲン大学の装置から0〜770mの区間について取得し、ベルン大学の装置から770〜3,200mの区間について取得した。サンプリング分解能は約1cmである。 粒子径分布 粉塵の大きさはFPPで表されます。我々はref. 12によると、試料の全質量に対する直径が1～2μmの間の粒子の質量の割合としてFPPを定義しており、一般的には1～5μmの範囲の粒子を含む。 このパラメータは、対数正規ダスト質量（体積）サイズ分布のモード値と反比例しています。 深度2,900m以下では、いくつかの氷河試料が異常に大きなモードを持つ分布を示しています。これは氷中での粒子凝集体形成に起因するものであり（補足図１）、この現象がよりよく理解されるまでは、それ以下のサイズ分布データはすべて破棄することを求められた。 信頼性の高いダストマスを得るために、試料を超音波処理して凝集体を分断した。水深3,139-3,190mの間で、サイズ分布が異常な42個の試料を超音波処理した。そのうち39個の試料については、新しいダスト質量測定を受け入れ、11個の試料で有意に異なる質量値を示した（補足表1）。水深 3,139 m 以上のいくつかのサンプルの測定では、正常なサイズ分布と濃度値が示された。しかし、集合体問題の詳細な分析のために、追加の測定が予定されている。 References 1 Tegen, I. 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Renold のコメントと提案に感謝する。本研究は、欧州科学財団と欧州委員会の共同科学プログラムである南極におけるアイスコーリングのための欧州プロジェクト（EPICA）への貢献であり、欧州委員会が資金を提供し、ベルギー、デンマーク、フランス、ドイツ、イタリア、オランダ、ノルウェー、スウェーデン、スイス、英国からの国別の貢献によって行われたものである。本論文はEPICA出版物No.193です。 著者情報 所属機関 Climate and Environmental Physics, Physics Institute, University of Bern, Sidlerstrasse 5, 3012 Bern, Switzerland F. Lambert, M. Bigler, P. R. Kaufmann & T. F. Stocker Oeschger Centre for Climate Change Research, University of Bern, 3012 Bern, Switzerland F. Lambert, P. R. Kaufmann & T. F. Stocker Environmental Sciences Department, University of Milano Bicocca, Piazza della Scienza 1, 20126 Milano, Italy B. Delmonte & V. Maggi Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environment (LGGE), CNRS-University J. Fourier, BP96 38402 Saint-Martin-d’Hères cedex, France J. R. Petit Centre for Ice and Climate, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Juliane Maries Vej 30, 2100 Copenhagen OE, Denmark M. Bigler & J. P. Steffensen British Antarctic Survey, High Cross, Madingley Road, Cambridge CB3 0ET, UK M. A. Hutterli Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research, Columbusstrasse, 27568 Bremerhaven, Germany U. Ruth |