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| ミランコヴィッチメニューへ戻る 抄録 過去の大気中の二酸化炭素濃度の変化は、南極のアイスコアに閉じ込められた空気の組成を測定することによって決定することができる。これまでに、南極ボストーク氷床コアとEPICAドームC氷床コアは、過去65万年間の大気中の二酸化炭素濃度の複合記録を提供してきた1,2,3,4。ここでは、ドームCアイスコアの最下層200mの結果を発表し、2つの完全な氷河期サイクルによる大気中の二酸化炭素濃度の記録を現在よりも前の80万年まで拡張した。これまでに発表されたデータ1,2,3,4,5,6,7,8と今回の研究から、大気中の二酸化炭素は8つの氷河期を通して南極の気温と強く相関しているが、現在より前の65万年から75万年の間にはかなり低い濃度になっていることを発見した。海洋同位体ステージ16の間の3,000年の間、二酸化炭素濃度は体積比で180ppm以下であり、おそらく海洋の炭素貯蔵がより顕著に反映されていると考えられる。これは、第四紀後期の二酸化炭素濃度の工業化以前の範囲を約10p.p.m.v.まで拡張し、172-300p.m.v.まで拡張したものである。 本論 ヨーロッパ南極氷床掘削プロジェクト（EPICA）の中で、2つの深部氷床コアが掘削された。ドローニング・モード・ランド（DML）エリアのコーネン駅（75° 00′ 06″ S; 00° 04′ 04″ E）とコンコルディア駅（ドームC; 75° 06′ 04″ S; 123° 20′ 52″ E）の2つの地点で行われた掘削は、それぞれ岩盤上数メートルの深さ2,774mと3,270mで停止している。EPICAは、温室効果ガス4,8,9と同様に、特に水の同位体、粒子状及び可溶性エアロゾル種に焦点を当てた気候記録を作成した。後者については、氷の中に閉じ込められた空気の分析が、精密な大気測定が行われる以前、つまり1958年以前の濃度を決定する唯一の直接的な方法です。 現在のBP（2,700-3,060 m）4以前の390-650 kyrの期間に焦点を当てたドームC氷の二酸化炭素測定では、過去420 kyrの間にボストーク氷床コアで発見されたCO2と南極の気温の間に強い相関関係があることが確認されました1。また、それ以前の期間の間氷期の冷涼化に関連して、ボストク期間（180～300p.m.）に比べてCO2の範囲が約30％小さい（180～260p.m.）ことを示しました10。 ドームCコアの最下層200m（3,060-3,270m）を調査し、既存のCO2記録を2つの完全な氷期サイクルで拡張しました。2つの研究室が3つの異なる空気抽出技術と2つの独立した測定方法で貢献した深度3,060-3,190 mのデータセットを図1に示します。ベルン大学のニードルクラッカーで抽出し、レーザー吸収分光法（LAS）で分析した試料の分解能は平均0.55 mであり、平均時間分解能は570年である。 グルノーブルのLGGE（ボールクラッシャーとガスクロマトグラフィー）で測定した深度3,062 m付近、3,085から3,095 mの間、3,120 m以下をカバーする47の値は、ベルンで分析した近隣の試料よりも平均的にやや高い（補足情報参照）。この差は低濃度の方が大きいと思われるが、グルノーブルの測定結果はベルンの記録を裏付けている。また、氷を昇華させて抽出した空気をLASで測定した結果からも、ベルンの記録の精度を確認することができました（図1）。また、3,030 m から 3,060 m (615-665 kyr BP) の深さでの再測定は、実験的不確かさの範囲内で、以前のデータ4 と一致しています（図2）。 図１ ドームCのCO2データ  灰色の線で結ばれた黒の実線：ベルンで測定されたデータ（4～6サンプルの平均値）；エラーバーは平均値の1σ（s.d.）を表す。赤の開いた丸：グルノーブルでのデータ（2σ=3 p.p.m.v.）。青の実線丸：グルノーブルでのデータ（2σ=3p.m.v. 緑の実線ダイアモンド：昇華抽出法によるコントロール測定。黒矢印は、深さ3,178.12m（時代：783,040年BP）で検出されたアーティファクトであるCO2値339±56p.p.m.v.（s.d.）を示す。すべてのデータはEDC3_gas_aの年齢スケール26にプロットされている。氷河期末期は下付きのローマ数字（例：TVIII）で示し、MISは海洋同位体ステージ27を示す。 図2: 過去80万年のCO2記録とEPICAドームC気温異常値のまとめ。  EDC3 のタイムスケール13 にプロットされた、過去千年紀の平均気温8 に対するドーム C の温度異常記録(重水素のデータを 500 年分の分解能で補間したもの)を黒のステップ曲線で示した。CO2のデータは、ドームC（紫5,青4,黒の実線円：ベルンで測定されたもの、赤の開いた円：グルノーブルで測定されたもの）、テーラードーム6（茶色）、Vostok1,2,3（緑）のものです。CO2値はすべてEDC3_gas_a年代スケール26。水平線は799-650、650-450、450-270、270-50 kyr BPの平均気温とCO2の値である。氷河期末期は下付きのローマ数字（例：TI）で示し、海洋同位体ステージ（MIS）はイタリックアラビア数字27で示す。 深度3,178 mでは、CO2値339 p.p.m.v.（4つのサンプルの平均値）と264〜477 p.p.m.v.の間に大きな散乱が見られます（黒矢印、図1）。この氷は、2002-2003年シーズンの終わりに掘削されたアイスコアセクションのもので、掘削を進めるためにボーリング孔の底部にエタノールと水の混合液を添加しなければならなかったことが原因である。このため、コアの外側で部分的に融解し、その後、ボアホールのより寒い部分を通ってコアを巻き上げる際に再凍結が発生しました。これは、3,190.56m以上の氷の中で発見された唯一のアーティファクトです。 3,190 m以下の部分は、LGEとBernのデータの両方で、主に180から210 p.p.m.v.の間で変動するCO2濃度を特徴としています。氷の層序が乱れているため8、この部分は気候的なシグナルを反映していない。したがって、我々は、3,190.56 m以上の浅い部分、すなわち、海洋同位体ステージ(MIS)20, 800 kyr BPに対応する氷河期に戻った部分に、我々の新しいデータセットの更なる議論を制限する。 記録の主な特徴は以下の通りである。MIS 20の188 p.p.m.v.の氷河期レベルから始まり、9年以内に約70 p.p.m.v.のCO2濃度の上昇が見られます。この傾きは、過去450年の間氷期の5つの氷河-間氷期遷移に似ています（詳細な比較は補足情報を参照）。MIS 19の開始時には、CO2は261p.p.m.v.という局所的な最大値に達し、これはMIS 13と15の間氷期の最高値に似ていますが、最近の4つの間氷期よりはかなり低い値です。MIS 5と9と同様に、MIS 19ではCO2は約15 p.p.m.v.まで低下し、約10 kyrのゆっくりとした減少期を経て、氷河期のレベルまで鋸歯状に減少します。このゆっくりとした減少は、これら3つの時期の軌道構成が似ているにもかかわらず、全新世のCO2レベルのゆっくりとした増加とMIS 11のさらにゆっくりとした増加とは対照的です。 MIS 18は明確に分離した2つの相から構成されています。最初の段階では、第二段階への急激な上昇の直前に177p.p.m.v.の最小値に達し、205～212p.p.m.v.の間でかなり一定のCO2濃度の段階が20年にわたって続く。MIS 15.2と15.4と同様に、数千年の間に約30p.p.m.v.による急激な減少と、40p.p.m.v.による同様の急激な増加（終着VIII）は、次の間氷期の始まりを示しています。MIS 17の40,000年の間、CO2は215から240 p.p.m.v.の間にあり、これは過去800年の間の他の間氷期よりも著しく低い。MIS 16の開始時には、CO2は3年間180p.p.m.v.以下のままであり、ほとんどの場合、海洋における氷河期の炭素貯蔵がより顕著になったことを反映していると考えられます。この間、CO2は172 p.p.m.v. (667 kyr BP)とアイスコアの中で最も低い値を示し、第四紀後期のCO2の自然範囲を約170〜300 p.p.m.v.に再定義し、その後、8 p.p.m.v. kyr-1から190 p.p.m.v. (665 kyr BP)で上昇します。 図2は、ドームC（650-390 kyr BP4、22-0 kyr BP5）、Vostok1,2,3（440-0 kyr BP）、Taylor Dome6（60-20 kyr BP）のアイスコアから得られた8つの氷期にわたる複合的なCO2記録と、私たちのデータを組み合わせたものです。これらの800 kyrの間、CO2は南極の気温と強く結合している（r2 = 0.82）。 南極の気温とCO2の間には強い定常的な関係があることが以前に示唆されていました4。しかし、我々のデータは、この行動から大きく逸脱していることを明らかにしました。これは、これらの間氷期の間に常に同等のレベルに達する気温の変動や炭素循環モデル11からも予想されていない。MIS 14を除いて、全ての氷河期の中で最も寒い時期の温度偏差（過去1000年の平均気温との比較）は-9～-9.5℃程度であり、CO2濃度は一般的に180～190p.m.v.の範囲であった。例外はMIS 16とMIS 18で、172-180 p.p.m.v.とかなり低い濃度を示しています。MIS 16の前後でのCO2と温度の関係の違いを説明するために、4つの異なる時間間隔（799-650、650-450、450-270、270-50 kyr BP）の平均値を計算しました。すべての間隔は、2つの間氷期を含む氷河期の途中で始まり、終わります（詳細は補足情報を参照）。これら4つの間隔の平均温度偏差（それぞれ-5.5、-5.1、-4.9、-5.5℃）は互いにわずかに異なるだけであるが、799～650 kyr（212 p.p.m.v.）の間のCO2の平均値は、その後の期間（227、234、222 p.p.m.v.）と比較して4～9%低い（補足情報の図参照）。 このシフトは予想外であり、本研究の新しい測定間隔が始まるところで起こっている。しかし、(1)不純物量の増加12、(2)深さに伴う温度上昇（3060mで-7.2℃→3,200mで-4.2℃、圧力融点-2.3℃）、(3)氷の構造変化によるCO2記録の変化は見られないことから、これはロバストな特徴であり、測定のアーティファクトではないと考えられます。また、この時期のO2/N2と空気含有量の予備データ(D. Raynaud and G. Dreyfus, personal communication)にも特異性は見られない。さらに、Siegenthaler et al.4、グルノーブルとベルンのデータ（本研究）の間には、異なる抽出技術を用いた全体的に良好な一致が見られた。これらを総合すると、私たちの記録は真の大気中のCO2濃度を反映していると結論づけられます。 CO2濃度が約15p.p.m.v.低い代わりに、CO2/温度シフトは、同位体組成が温度を約1℃過大評価していることによっても説明できます。しかし、推定された温度変化に対する標高13と水分起源の補正は、MIS 16から18までの間に温度が系統的に過大評価されていることを示していない。 このことは、8億年から4億年の間にCO2の長期的な増加が25p.p.m.v.程度あることを示唆しています。過去4回の氷河期における15 p.p.m.v.の長期的な減少と合わせて、数105年の時間スケールで大気中のCO2濃度がゆっくりと変動していることを示唆しています。一貫性のある長期的なCO2トレンドと、海洋記録に見られる第四紀炭素循環の500年周期の変動との関連性を検証するためには、より古い氷が必要である15。 長期的な変化に加えて、千年単位の気候変動に対する炭素循環の応答も特別な関心事である。Indermühleら6は、テイラードーム氷床コアの最後の氷河期の間に、約15p.p.m.v.のピーク間振幅を持つ4つの明確な振動を発見した。これらの変動は、より大きな南極同位体最大値(AIM)イベント(1-3℃の振幅を持つ南極温暖化イベント)7,16,17に付随している。AIMイベントは、Dansgaard-Oeschgerイベント18として知られている北半球での短くてより顕著な温暖化イベントの対応であり、それゆえに、再構成されたCO2変動に寄与している可能性の高い海洋と陸域のプロセスを伴う双極シーソー19,20,21の現れである22,23。 また、我々の記録の中で最も古い千年単位の変動の痕跡は、778～752 kyr BPの間に検出されている（図２）。南極の気温8、CO2、メタンの大気中濃度24は、その変動は主に北半球の気温や降水量の変化の影響を受けており25、3つの相対的な極大値を示している（図3）。これらのデータとMIS3の変動量を比較すると、両期間ともに3つの量が同じ範囲で変動していることがわかります（補足表3参照）。さらに、MIS18でのCH4の増加率は、MIS３の大規模AIMイベントの時のEDC氷床コアでの増加率と類似しています。 最後に、イベントAとBでのCO2の緩やかな増加は、CH4の急激な増加に数千年先行していますが、これもMIS37での大規模AIMイベントの典型的な特徴です。イベントCの場合、CO2の上昇が比較的小さいために、イベントの段階的な変化は明らかではありませんが、私たちの発見は、MIS 18期の活発なバイポーラシーソーを強く支持しています。 図3: MIS 18期のAIMイベント  ドーム C-CO2（黒の実線円；4～6 サンプルの平均；エラーバーは平均値（s.d.）の 1σ）、メタン24（緑）、温度異常の変動（778～752 kyr BP 間の過去千年紀平均気温8（黒のステップ曲線）に基づく）。気体は EDC3_gas_a 年齢スケール26 に、温度は EDC3 タイムスケール13 にプロットされている。AからCの文字は3つの事象を示す。 メソッドの概要 ベルン大学とグルノーブルのLGGEでは、乾式抽出法をベースに、レーザー吸収分光法とガスクロマトグラフィーを用いたCO2測定を行っています。ベルンでは、氷床コアの各深度（550mmごと）から4〜6個のサンプル（23×23×16mm、8g）をランダムな順序で測定します（同日に2個、すべての深度間隔を2回測定した後の次の2個）。試料は、真空条件下で冷却したニードルクラッカーで粉砕する。試料容器をコールドトラップに数分間接続し、クラトレイトから空気を放出する。その後、空気を測定セルに膨張させ、ここでCO2分子の振動回転転移の吸収線上でレーザーを6倍にチューニングする。校正は、世界気象機関のモル分率スケールでスケールされた空気中のCO2標準ガス（251.65p.m.v.）を用いて行われます。 グルノーブルでは、各水深レベルで約40gの氷を真空下で1〜3つのサンプルを粉砕します。約20分後、抽出されたガスはガスクロマトグラフのサンプルループで膨張され、分析されます。抽出された空気の量に応じて、3～5回の連続分析が行われます。ガスと一緒に注入された水蒸気の影響を避けるため、CO2のピークと空気（O2＋N2）のピークの比としてCO2比を計算します。校正は、3つのCSIRO標準（260.3 p.p.m.v.、321.1 p.p.m.v.、172.8 p.p.m.v.）にスケールされたAir Liquide標準を使用して行われます。 References 1 Petit, J. 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Hausammannに感謝し、B. Stauffer, J. Schwander, M. Leuenberger, F. Joos, V. Masson-Delmotte, G. Dreyfus, C. Körnerの意見に感謝する。スイスNSF、ベルン大学、スイス連邦エネルギー庁、フランスANR (Agence nationale pour la Recherche; program PICC)からの財政支援に感謝します。本論文はEPICA出版物No.194です。 Author information Author notes Thomas Blunier & Kenji Kawamura Present address: Present addresses: Centre for Ice and Climate, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Juliane Maries Vej 30, DK-2100 Copenhagen OE, Denmark (T.B.); National Institute of Polar Research, Research Organization of Information and Systems, 1-9-10 Kaga, Itabashi-ku, Tokyo 173-8515, Japan (K.K.)., Affiliations Climate and Environmental Physics, Physics Institute, University of Bern, Sidlerstrasse 5, CH-3012 Bern, Switzerland, and Oeschger Centre for Climate Change Research, University of Bern, Erlachstrasse 9a, CH-3012 Bern, Switzerland Dieter Lüthi, Bernhard Bereiter, Thomas Blunier, Urs Siegenthaler, Kenji Kawamura & Thomas F. Stocker Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement (LGGE), CNRS-Université Joseph Fourier Grenoble, 54 Rue Molière, 38402 St Martin d'Hères, France Martine Le Floch, Jean-Marc Barnola & Dominique Raynaud Institut Pierre Simon Laplace/Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement, CEA-CNRS-University Versailles-Saint Quentin, CE Saclay, Orme des Merisiers, 91191 Gif-sur-Yvette, France Jean Jouzel Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI), Columbusstrasse, D-27568 Bremerhaven, Germany Hubertus Fischer アルフレッド・ヴェゲナー極地海洋研究所（AWI）、コロンブス通り、D-27568ブレーマーハーフェン、ドイツ フーベルトゥス・フィッシャー 対応する著者 ディーター・リューティ氏への対応。 補足情報 このファイルには、補足注、補足表1〜4、補足図S1〜S4（凡例付き）が含まれています。 このファイルは、測定方法、ベルンとグルノーブル間の相互比較、CO2と南極温度異常の時間的関係、氷河期終焉期との関係についての詳細を提供しています。さらに、最も低いCO2濃度、図2の間隔の選択、第18期で検出されたイベントと第3期のAIMイベントの比較表も掲載しています。(PDF 413kb) ファイルには補足表が含まれています。 ベルン大学とグルノーブルのLGGEで測定された新しいEPICAドームCのCO2データ(650 kyr以前)は、表1の深度と対応するEDC3_gas_aの年代に対してリストアップされています。表2には、本論文で議論されているすべてのCO2データをEDC3_gas_aの年代スケールに同期させて示しています。最後に、表3は、過去80万年のCO2データを合成したものです。(XLS 320 kb) 権利と許可 転載と許可 |