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| ミランコヴィッチメニューへ戻る Ryu Uemura, Hideaki Motoyama, Valérie Masson-Delmotte, Jean Jouzel, Kenji Kawamura, Kumiko Goto-Azuma, Shuji Fujita, Takayuki Kuramoto, Motohiro Hirabayashi, Takayuki Miyake, Hiroshi Ohno, Koji Fujita, Ayako Abe-Ouchi, Yoshinori Iizuka, Shinichiro Horikawa, Makoto Igarashi, Keisuke Suzuki, Toshitaka Suzuki & Yoshiyuki Fujii Nature Communications volume 9, Article number: 961 (2018) Cite this article 3248 Accesses 16 Citations 78 Altmetric Metrics Nature Communications volume 9, Article number: 961 (2018) Cite this article 過去72万年間の南極の気温とCO2の非同期性と斜行性の関係について 抄録 南極氷床コアのδD温度プロキシは、氷河サイクルを経てCO2と並行して変化している。しかし、これらの変数は不可解な非同期性を示している。南極海がCO2の変動を制御する鍵を握っている可能性が高いため、南極海の温度を正確に記録しておくことは重要な情報を提供することになる。本研究では、南極氷床コアを用いて複数の同位体分析を行い、過去72万年間の南極の温度変化と海洋水分源の温度変化を推定した。南極の温度は、斜行によって誘起される局所的な日射量の大きな変動の影響を受けている。斜交周期では、南極と海洋の温度は年平均日射量に遅れをとっている。さらに、この位相遅れの大きさは偏心度の低い時期には最小であり、地球の炭素循環と海洋循環の経年的変化が、斜交周波数帯における気温、CO2、日射の位相関係を変調させていることを示唆している。 本文 序章 地球の気候システムを理解するためには、気温、大気中のCO2、日射量の変化の関係を正確に知ることが重要である。南極EDC氷床コアの水素同位体組成（δD）は、過去80万年（kyr; r2 = 0.82）の間にCO2濃度と平行して変化してきました1,2。しかし、δDは明らかにCO2の変動をリードしている。例えば、東南極台地では、南極温暖化の開始時期が最後の終息期（TI）の間、CO2の増加と同期していると推定されています4 。西南極のサイトでは約2000年のリードとなっています6。 過去420年の間に、南極のδD温度がCO2の変動を1.3±1.0 kyrリードしていたことがVostok氷床コアから明らかになった7。一方、ぬるい間氷期（430-650 kyr BP）では、南極のδDがCO2を1900年もリードしており、EDCコアから決定されたように、CO2とδDの間の相関はより弱くなっている（r2 = 0.57）。 このような結合や位相遅れのメカニズムはまだ明らかにされていないが、南極ではなく南洋域がCO2変動の調節に中心的な役割を果たしていると考えられている9,10。例えば、あるボックスモデルでは、TI期間中のCO2の増加は約60％と推定されており、それは南極海の海氷被覆や鉛直混合の変化などの直接的・間接的な温度効果に起因していると考えられている9。 千年単位の時間スケールでは、マルチプロキシ研究により、海洋循環の変化に対する反位相した半球温度応答が、南極の温度がTI期間中の地球の温度とCO2をリードする結果となったことが示唆されている11。軌道上の時間スケールでは、南極と周辺海洋の間の緯度温度差は、年平均日射量（AMI）の変動に起因している可能性がある。平均日射量は、地球の斜度の41kyr周期性によってのみペースが決まる17。実際、1980年代のボストーク氷床コアから得られた南極の気温記録には、局地的なAMIの変動と関連していると考えられる強い41年周期が認められている15。しかし、アイスコアと海洋堆積物の年代モデルの不確実性は、南極と南洋の気温がAMIの変化に関連して異なるタイムラグを持つ可能性があることの理解を制限している。 したがって、南氷洋からの高い時間分解能を持つ、十分に日付のついた地表面温度の記録は、重要な情報を提供する。 これらの気候メカニズムに加えて、気温プロキシとしてのδDの妥当性も考慮する必要がある。このプロキシは南極サイト温度(ΔTsite)に依存するが、水蒸気が海洋中の水分源から降水が発生するサイトまで輸送される際の分画に伴うレインアウトの程度にも影響される。この水分源の影響を補正した後のΔTsiteの記録は、過去350年の間にCO2とのより強い相関を示しており18、気温プロキシとしてのΔDの使用にバイアスがかかる可能性を示唆している。しかし、水分源補正の効果は420 kyr BP19以前では不明である。長い記録がないことから、400年周期の偏心周期がAMI、CO2、南極・海洋温度の関係に及ぼす潜在的な影響を解明することができない。 気温とCO2濃度の関係を調べるために、南極ドームふじ(DF)アイスコアの過去720年分のδDと重水素過剰記録を用いて、ΔTsiteとΔTsourceを推定した。この新しいΔTsiteとΔTsourceの記録は、南極ドームふじ氷床コアと同じ年代スケールで、南極高原とその海洋水分源との間の温度変化のパターンと時期を比較することを可能にした。 我々のデータは、ΔTsite19の最長記録（420年）を300年延長し、ぬるま湯期の間氷期における水分源の補正の影響を明らかにした。ΔTsourceとCO2の間の相関は、ΔDとCO2の間の相関よりも強い。斜度の周期に沿った局所的な日射量の変化がΔTsiteに強く影響していることがわかった。斜度の周期では, ΔTsite と ΔTsource の変化は AMI に対して遅れている. また、軌道偏心が低い期間では位相遅れの大きさが小さく、位相変調が地球の炭素循環や海洋循環の経年変化に関係していることが示唆された。 研究成果 ドーム富士の同位体と温度の記録 第二次DF氷床コア(DF2; 77˚ 19′ S, 39˚ 42′ E, 3810 m 海抜)20 を用いて、720 kyr の重水素過剰量(d = δD-8δ18O)の記録を取得した。深度2399.5〜3035.1 m (297〜415 kyr BP)の氷のδDとδ18Oを10cm間隔で測定した。新しいDF2データは、ドームふじ第一コアのデータ（DF121,22）と組み合わせて、AICC2012の時間スケールでプロットした23。δD, d, ΔTsite, ΔTsourceの関係を混合雲同位体モデルを用いて定量化した(Methods)。本研究では、気温を現代値（過去 2 年の平均値）からの偏差Δで表している。ΔTsource は水分源域の温度を表すプロキシ19,22 であり、DF の現代降水の主要な水分源は南大西洋とインド洋の 38～65˚ S の間にあると推定されている24,25,26（図 1）。  図１ 氷床コアと海底堆積物コアの位置。青色の網掛けは、バックトラジェクトリ計算24,25,26で求めたドーム富士サイトの現在の主な水分源を示す。白い点は、海面水温の積層記録を構築するために使用された海底堆積物の位置を示す。この地図はGeneric Mapping Tools90を用いて作成された。 DF2コアからは、過去720年の間の詳細なδDプロファイルが得られた（図2）。DFのδDはEDC1,2のδDと線形的に一致している（R2 = 0.91、EDC/DFの傾きは1.1）。古気候データのサンプリング分解能が高く(10cm vs. 55cm)、EDCコアよりも古気候のシグナルをより詳細に表現している。しかし、最深部は氷の拡散によって平滑化されているように見えるが、これは海洋同位体ステージ（MIS）11に対応するEDCコアの11cmのサンプルでも観察されている（補足図1）。  図２ DF1とDF2のアイスコアの同位体記録。DF1(灰色)とDF2(黒色)の同位体記録は、a δDとb dln、DFはc ΔTsite(赤色)とd ΔTsource(青色)の記録である(補足図4)。黒線は降水の水蒸気源域内の海面水温の記録を示している（灰色の網掛けは変動幅を示す）（補足図4）。気温は現代値（過去 2 年の平均値）からの偏差を示す。また、ΔTsite とΔTsource の記録は、分かりやすくするために 2 年間隔で再サンプリングされている。数字は海洋同位体ステージを示す。 DF1とDF2のアイスコアの同位体記録。DF1(灰色)とDF2(黒色)の同位体記録は、a δDとb dln、DFはc ΔTsite(赤色)とd ΔTsource(青色)の記録である(補足図4)。黒線は降水の水蒸気源域内の海面水温の記録を示している（灰色の網掛けは変動幅を示す）（補足図4）。気温は現代値（過去 2 年の平均値）からの偏差を示す。また、ΔTsite とΔTsource の記録は、分かりやすくするために 2 年間隔で再サンプリングされている。数字は海洋同位体ステージを示す。 また、ΔTsiteは、全記録の間氷期の時間スケールでΔDとよく相関している（図2）。また、ΔD の記録に含まれる氷河期の千年規模のイベントは、ΔTsite の記録にも含まれている（補足図２）。ΔTsiteの値は、2年平均値を用いた場合、-8.0℃（MIS 12.2）から4.0℃（MIS 9.3）までの範囲である（図2）。ΔTsiteの記録は、EDCのδD変動1,2で示唆されているように、~430 kyr以前の間氷期最大値（MBE）を示している。 DF2コアのd記録は、従来の線形定義よりも水分源の状態をより良く反映している対数定義のd（以下、dln；図2）で示されている22（補足図3）。最近のモデリング研究でも、対数的定義を支持する証拠が示されている27,28。 ΔTsource の氷期-間氷期の変動は、一般的に dln の変動と類似している（図２）。DF2のΔTsourceの値は、MIS 12.2では-6.0℃からMIS 9.3では2.2℃までの範囲である。氷河期の初期には、ΔTsourceは暖かいままであるのに対し、ΔTsiteは冷え始める（例えば、MIS 11.2；図3a）。他の特徴もまた、ぬるい間氷期の間に現れた。特に、MIS 13.2の間のΔTsiteの約2℃の低下は、ΔTsourceには対応するものがない（図3a）。  図３ a 上図は、DF2コアからの温度再構成とCO2記録。下図はDF ΔTsource(青)とCO2コンポジットレコード(緑)を示しています。下段には斜度（黒）のDF ΔTgrad（紫）を示しています。δD（またはδTsource）軸は、δD（またはδTsource）とCO2の間の線形回帰に適合するようにスケーリングされている。b 地球の斜度（黒）とDF ΔTgrad（紫）、DF δD（黒点線）、ΔTsite（赤）、ΔTsource（青）、CO2合成記録32（緑）のパワースペクトル。下図: 上図と同じだが、位相差がある。 赤と青は不確かさの範囲を示す（Methods）。CO2対ΔDの不確かさの範囲は、CO2対ΔTsiteの不確かさの範囲と似ていますが、わかりやすくするためにここでは示していません。斜交帯を黄色で示しています。 フルサイズ画像 気温の推定には、先行研究22(Methods)と同じパラメータを用いた。これらの値を用いることで、先行研究19,29で示された値よりも大きなΔTsourceの氷期-間氷期変動が得られ、その結果、過去150 kyr22におけるDFΔTsourceの記録と海面水温の積層記録30との間で良好な一致が得られた。 ここでは、複数の氷河期におけるΔTsourceの推定値の信頼性を評価するために、源域で得られた17個の深海堆積物コアを用いて、積層型海面水温記録を構築した（Methods and Supplementary Fig. 4）。積層型海面水温記録は、過去4億4千万年の海面水温記録と振幅、変動パターンともに顕著な類似性を示しており、振幅と年代の不確実性の範囲内で一致している（図2d）。 したがって、西風変位28 に伴う水分源の変化の影響は、氷期-間氷期の時間スケールでのDF記録では限定的である。MBE前後の期間では、標準偏差1を用いて推定されるように、ΔTソースはわずか17%の振幅の増加を示した。この結果は、MBEに伴う変化は高緯度よりも低緯度の方が顕著ではないという全体的な概念と一致している31。このことから、我々のΔTsourceの再構成は、海洋水分源の広い領域における海面水温の平均的な変化を代表するものであると解釈できる。 考察 全記録を通して、ΔTsiteとΔTsourceの両方がCO2と共役しており（R2 = 0.78、0.77）、ΔDとCO2の相関よりも有意に強い（R2 = 0.70、Methods参照）。唯一の例外は、MIS12.2期に観測されたΔTsourceとCO2の間の強い相関であり、ΔTsourceが例外的に冷え込んでいることを示している（図3a）。このことは、MIS 12 の間に南洋の気温が例外的に冷え込んだことを示唆している（後述）。 δDとCO2の相関が最も弱いのは、ぬるま湯期の間氷期のEDCコアである8。この時期には、DF ΔTsiteとコンポジットCO2記録32（R2 = 0.76）の間の相関は、δDとCO2の間の相関（R2 = 0.66、図3a）よりも強くなっています。また、ぬるま湯期の間氷期においても、ΔTsourceの記録とCO2濃度との間に高い相関が得られた（R2 = 0.80、図3a）。例えば、MIS 13.2では、ΔTsourceとCO2はMIS 13.1やMIS 13.3と同様のレベルを維持していますが、ΔTsiteは約2℃の低下を示しています。 また、ΔDとΔTsiteの間には全体的に相関があるにもかかわらず、ΔTsiteの記録はΔDの記録よりも斜め方向で0.9±0.1 kyr遅れており（補足図5）、ΔTsiteとCO2の位相差はΔDとCO2の位相差よりも小さいことが分かりました（図3c）。このことから、南極のδD温度がCO2よりもリードしているのは、過去720 kyrの斜行帯におけるδD温度に対する水分源の影響によるものであることが示唆された（図3c）。これらの結果は, 水分源の影響がδDの斜度信号に与える影響の重要性を示唆している. このように、南極の気温とCO2の関係についての今後の研究では、水分源効果を考慮しなければならない。 気温とCO2濃度の間の類似点と相違点は、主に41kmの斜度周期に起因するものである。スペクトル解析の結果、CO2とΔTsourceはΔTsiteとΔDに比べて斜度周波数範囲のパワーが小さいことが分かりました（図3b）。実際、δDとCO2の間の線形回帰の残差には周期的な斜度変動が残っているが、ΔTsourceとCO2では残っていない（図3a）。この周波数範囲では、CO2の変動はΔTsiteやΔDよりもΔTsourceの方が高いコヒーレンスを示す（図3c）。これらの結果から、斜めの周波数帯では、CO2変動は東南極高原の温度（ΔTsiteやΔD）と密接に結合していないことがわかります。 むしろ、CO2とΔTsourceの間の相関は、南極海の表面温度変化と地球規模の炭素循環との間に密接な関係があることを示唆している。 ΔTsourceとCO2の間に強い相関があるにもかかわらず、ΔTsourceはほとんどの周波数帯でCO2よりもわずかに遅れている（図3c）が、これは南洋の熱慣性が大きいためである可能性が高い33。さらに、DF ΔTsite は斜度帯でΔTsource を 2.8 ± 0.6 kyr ほどリードしている(補足図5)。この解析は千年単位の時間スケールではなく、軌道上の時間スケールでの変化に焦点を当てていることに注意すべきであり、この時間スケールでは、南極温暖化は熱双極シーソーのために南洋温暖化によって受動的に制御されている33,34。斜交周波数帯の中では、我々の分析は、南極の温度変動が過去720年を通して海洋温度を導いてきたことを示唆している。この現象は、ΔTsite上の局所的なAMIの強い影響によって説明される可能性が高い。 温度勾配の記録(ΔTgrad = ΔTsource-ΔTsite)には 41 kyr の強い周期性が見られる(図 3b)。斜度の減少は中緯度と高緯度の間の AMI 勾配を増加させ17 、これは斜度信号と位相が一致している17,35。このように、斜度の変化は、DF(77°S)と水分源域(38-66°S)の間の AMI 勾配と密接に相関している。ΔTgradの記録は斜度と負の相関がある（図3a）。 この結果は、局所的な日射勾配から予想される緯度方向の温度パターンと定性的に一致している。 AMIの違いがΔTsiteとΔTsourceの振幅に与える影響を、斜度帯の記録をフィルタリングすることによって評価した（図4）。フィルタリングされたΔTsiteの記録の最大値と最小値の差は3℃であり（図4b）、これは、ΔTsiteとΔTsourceの記録でシミュレーションされた約2.5℃の変化に近い。 これは、一般的な循環モデル13でシミュレートされた約2.5℃の変化に近い。ΔTsiteの振幅はΔTsourceの振幅の2倍である(図4c)。斜度領域で表現されるΔTsiteの振幅が大きいのはAMIの影響と考えられるが、DF領域のAMI変化の振幅は水分源領域の6倍である(図4b,c)。現在の平均的な惑星アルベドを考慮すると、有効な短波強制力は南極上で特に強く減少する12。このアルベド効果により、地表の正味の下降流束のサイト/ソース比は2.4:1となる(Methods)。したがって、その差は大幅に減少し、ΔTサイト/ΔTソース比とほぼ一致する。残りの差は、低緯度から高緯度への熱の輸送36 や、南緯60度付近では負で低緯度では正である雲のフィードバックの緯度差37 のような他の補償メカニズムによって相殺されるであろう。  図４ a DF ΔTsite(赤)とその斜度成分(赤). b ΔTsiteの斜度成分(赤)、77°SのAMI(黄)と斜度(黒). c ΔTsourceの斜度成分(青)、38-66°SのAMI(黄)と斜度(黒). d CO2合成記録32の斜度成分(緑)と斜度(黒). f ΔTgrad の斜度成分（紫）、77°S と 38-66°S の日射勾配（黄）と斜度（黒、軸反転）。 g ΔTsite の正規化斜度成分と 77°S における AMI との差（赤）。日射曲線は斜度の変化の後ろに示した。斜度成分はバンドパスフィルターを用いて計算した (Methods) 温度プロキシとAMIの位相関係から、AMIに対する温度応答の特徴が明らかになった。平均して、ΔTsiteは、以前にEDC2とDF1コア21で示されたように、斜交期においてAMI(または斜交)に対して4.1±2.7 kyr遅れている(図4b)。また、ΔTソースもまた、斜行期間で7.5±2.9 kyr遅れている（図4c）。興味深いことに、フィルタリングされたΔTgradとAMI勾配はほぼ同期している（図4f）。斜交帯におけるそれらのラグは1.9 ± 2.6 kyrであり、これは年齢スケールの不確かさの範囲内である23。この明らかな同期は、AMIに対するΔTsiteの遅れがAMIに対するΔTsourceの遅れによって打ち消されていることで説明できる。 このように、ΔTgradは、有意な位相差なしに、AMI勾配と斜度によって直接強制されているように見える。AMI 勾配の増加は極域への水分輸送の程度を高め35、北半球の降雪量と氷床体積の増加をもたらす。同時に、南進する潜熱輸送の増加は、局地的な日射量主導の南極冷え込みを相殺すると予想される12。これらの正負のフィードバック機構は、南極温度のAMI変動に対するリードとラグをもたらす可能性がある。 ΔTsiteとAMIの間の位相遅れを詳しく見てみると、位相遅れの大きさは約400kyrの偏心期間に応じて変化することが明らかになった。100-300 kyr BPと500-650 kyr BPでは、AMIに対するΔTsiteの遅れが大きくなっていることがわかった（図4b）。偏心量が小さい時（350-450 kyr BP）は、ΔTsiteとAMIがほぼ同期しているため、位相遅れは小さくなる。この400 kyrの位相変調を説明するために、フィルタリングしたΔTsiteとAMIの記録の振幅を標準偏差1に正規化し、その差を図4gに示す。 位相差が小さいほど差が小さくなるため、フィルタリングされたΔTsiteとAMIの差の記録の振幅は、350-450 kyr BPで最小になる（図4g）。 ΔTsiteの記録に見られるように、斜め方向にフィルタリングされたΔTsourceとCO2の記録もまた、約400 kyrの偏心周期で、斜め方向に対して異なる位相遅れを示す（図4c, d）。平均して、フィルタリングされたCO2の記録は、7.0 ± 2.9 kyrの遅れを示しています。これらの位相遅れは、AICC2012の不確かさ（±1.7～±4.8 kyr（平均±2.6 kyr）23）よりも大きく、調査期間中のほとんどの期間で有意である。MIS11-12では、年代マーカーがないため、大きな不確実性が予想された23。しかし、U/Th法38を用いて独自に年代を測定した中国産石筍では、δ18O値の急激な減少と終端VでのEDC CH439の急激な増加が一致しており、AICC2012の年齢スケールの精度を裏付けるものであった。 興味深いことに、底生有孔虫類のδ18Oの記録もまた、斜度に対して同様の位相の変化を示している40（図4e）。斜度帯でフィルタリングした場合、底生有孔虫のδ18Oデータは、北半球の氷量変化の41年周期の成分も斜度に対して遅れており、偏心最小の時期には氷量と斜度がほぼ同期していることを示唆している。このようにΔTsiteだけでなくΔTsource, CO2, 氷量の代理であるΔTsourceについても斜度に対する応答の遅れが観測されている。したがって、我々のデータは、北半球へのリンクなしで南極の気温15,16に局所的な太陽日射量の直接的な影響の仮説を支持していない16。むしろ、AMIに対するΔTsiteの千年単位の時間遅れは、温室効果ガスの変化や地球規模の氷面積・体積の変化などの「遅い」フィードバックの影響を示唆している41,42。 次に、氷の体積とCO2のどちらが、400年周期での位相遅れの変化とより直接的に関係しているのかを明らかにすることを試みる。モデル化の結果、ユーラシア大陸の氷床は41年周期と23年周期で有意な100年周期を伴わずに日射強制に応答することが示唆されているが41 、南極の氷量は400年周期で変動することが示唆されている43 。また、CO2を一定にした実験では、MIS11の間の氷床モデルでは予後の振幅が小さく、氷量の減少を再現することができなかった44。この結果は、偏心量が低い場合には氷の体積変化が大気中のCO2の変化に敏感に反応することを示唆しています。 したがって、多くの不確定要素があるにもかかわらず、私たちは、氷の体積ではなく、CO2の変化が400km周期の位相変調の主な駆動源であることを示唆しています。 400km周期でのCO2の位相変調は、偏心が低い時期のプリセション変動の振幅が小さくなることと関連しており（図4h）、これは比較的強い斜行効果をもたらす。TI期間中、CO2が上昇したのは〜18 kyr BPであり、これは北半球の氷床が融解し、それに伴う大西洋経度反転循環(AMOC)11が弱まったことに関係していると考えられます。このように、北半球の氷床が融解し始める時期によってCO2が上昇し始めるタイミングが決まることになります。 偏心が小さい場合、夏季日射量の最大値は小さい。したがって、斜度が融解のしきい値を超えて上昇した場合には、適度な気候強制力によって、北米氷床の南縁が後退し始めるほどの温暖化を引き起こす可能性がある41。したがって、350～450 kyr BP から、CO2 の斜度成分は斜度に対する位相差なしに急激に上昇し始めた。 脱氷のタイミング以外にも、地球規模のCO2の約400年周期の長いサイクルが存在している。また、全球海洋炭素循環の約400kmの長いサイクルも位相関係に影響を与えている可能性がある。低偏心時には、大気中のCO2を増加させるコッ石の産生が顕著に増加する45（図5e）。 逆説的なことに、氷床コアからの大気中の CO2 記録の変化の振幅は比較的安定しており（図 5a）、南大西洋の MIS 8,10,12 期の鉄の肥沃化と連動した海洋生産性の高さ46,47 によって CO2 の流出が相殺された可能性が示唆されている48（図 5f）。これらのデータは、35～45万年の間に大気と海洋の間で不規則にCO2交換が促進されたことを示唆しており、これが35～45万年の間の斜度帯のCO2変動の小ささに寄与していると考えられる。  図５ a DF ΔTsite(赤)とコンポジット大気 CO2 記録32(緑)。c 南大西洋の深層水換気の代理である底生有孔虫の中深層のδ13C勾配（Δδ13C）49。d 北大西洋（ODPサイト607）91 と熱帯太平洋（ODPサイト846）92 の間のΔ13C勾配50 に基づく転覆強度の指標。e インド洋南西部（紫線、MD962077）と太平洋赤道西部（青線、V28-239）のコッサイトフォアの産生速度の代理としてのコッサイトフォアのSr/Ca。破線で示した黒線は、0.0045 kyr-1 のバンド幅を持つ 0 kyr-1 付近のガウシアンフィルタを用いて得られた長期トレンドを示す（周期性 < 222 kyr を除去したもの）。 我々は、低偏心期間中の太陽日射の変化に対する海洋の応答時間の減少が、斜行帯における日射強制力ΔTsiteとΔTsourceの位相差の減少をもたらしたのではないかと示唆している。氷河期には、深層水の通気性が低下し、栄養塩の利用が促進されることで、南氷洋深部に炭素が貯留されることが示唆されている10。実際、南大西洋の底生有孔虫における中深層のδ13C勾配（Δδ13C）は、氷期には深層水の通気性が弱くなり、100年周期の氷期になることを示しています49 。さらに、転覆の強さの指標である北大西洋と熱帯太平洋の間のΔΔ13Cの記録も同様の経年的な傾向を示しており、Δ13Cの最小値はMIS 12の間に発生している（図5d）。これらの結果は、大西洋の換気が大幅に減少したか、太平洋の換気が活発になったことを示唆している50。 これらの研究は、海洋循環が弱まったために、これらの時期に海洋深層水が表層-中層海洋から分離されたことを示唆している。海洋深層水が大規模な熱貯蔵庫から分離されたことで、下層大気と表層海洋との間の熱交換が比較的速くなり、日射量の変化に対する表層水温の応答がより速くなったと考えられる。 大西洋の換気の減少（図5d）は、MIS 12.2の間にΔTsourceで見られた例外的な冷却と関連している（図3a）。この例外的な南洋水温の冷え込みは、亜熱帯前線の北上によ る熱帯海面水温の異常冷え込みと関連している可能性が高い50。赤道日射量の年最大値と最小値は、偏心周期が顕著であった51。 赤道日射量の最大値が低いことは、近世から４００万年前までの間に、ハドレーセルの強度を低下させ、その結果、亜熱帯前線が北進した可能性があり、このプロセスは、MIS 12 と MIS 1050 の間に北大西洋の深層水形成の最大の減少を引き起こした可能性が高い。 我々の温度データは、南極の温度とCO2の間の非同期性が過去72万年の間に斜行と関連していたことを明らかにした。AMIの大きな斜行によって引き起こされる変動は、南極の気温に強く影響を与えている。さらに、この斜行効果は偏心周期によって変調されている。 偏心が低い期間では、AMIに対するΔTsite,ΔTsource,CO2の遅延応答は、斜度帯では最小である。この現象の説明として考えられるのは、全球海洋炭素循環の経年的な変化が、特に偏心最小期の氷量の変化に影響を与えているということである。海洋循環の経年的な変化は、深海の巨大な熱貯蔵庫の孤立をもたらし、斜交帯でのAMI、ΔTsite、ΔTsource間の位相差の減少に寄与している。地球の気候システムは、現在、〜400 kyr BPに起こったような偏心の減少期にある。人間の活動がない場合、今後10年の間の斜度の減少（したがって高緯度でのAMI）は、東南極高原の気温を斜度周波数帯で1-2℃低下させることになる。斜交周波数帯の太陽放射は、南極大陸における氷河の質量バランスの変化のドライバーとしても重要である52。したがって、気温、CO2、氷量に対するAMIの見かけ上の400kmの位相変調の根底にある気候メカニズムを理解することが極めて重要である。 方法 試料と同位体測定 DF2氷床コアは、東南極のDFステーションにおいて、深さ3035.2m53の岩盤付近まで掘削された。掘削場所は東南極氷床の山頂に位置し、現在の年間平均気温は-55℃である。氷の最深部（3000.0-3035.0m）の広範な分析から、底氷は化学組成を変化させた隕石水に由来することが示されている54。 δDとδ18Oの測定は、深さ2399.5から3035.0 mの範囲で得られた6349個の試料について行われた。氷試料は、密封されたポリエチレン袋に入れて室温で融解させた。 その後、ガラス瓶に移し、凍結状態で保存した。δD値およびδ18O値はともに、国立極地研究所の自動平衡法55を用いて測定した。本研究では氷試料（δ18Oice）のδ18O値を使用したが、「おがくず」試料（δ18Osaw）のδ18O値は以前のDF論文20で使用したものである。おがくず」は、DF サイトでのアイスカット中に採取された。その平均差（=δ18Osaw-δ18Oice）とその変動（±1σ）はそれぞれ0.31±0.18‰（n=15）であった。δ18Osawの濃縮度が小さいのは、南極から日本へのサンプルのサンプリングや輸送中に昇華したためであると考えられる。 また、本研究の分解能は、以前のDF2のδ18Osawデータ20で使用された50cmサンプリングの5倍である。 同位体データは従来のδ表記法を用いて与えられている：δ＝Rsample/RVSMOW-1、ここでRsampleとRVSMOWはそれぞれ試料とウィーン標準平均海洋水（VSMOW）の同位体比（D/Hと18O/16O）である。測定精度を向上させるために、45％の試料を2〜4回測定した。個々の試料の重複分析の差に基づく分析精度(1σ)は、0.44‰(δD)、0.05‰(δ18O)、0.52‰(d)であった。 記録と時間スケールの組み合わせ 720 kyrにわたる完全な同位体記録を得るために、第一期ドームふじ(DF1)コアから得られた0.0-2399.5 mの浅い深度の公開データセットを用いた。また、DF1とDF2の記録の重なり部分（2400-2500 m）は、水平方向の距離が43 mしかないため、顕著な類似性を示した22,59。本研究では、DF レコードを AICC2012 の年齢スケール23,60 にプロットした。DFデータをAICC2012年齢尺度23に移行するために、0-216 kyr BP61ではDFとEDCのタイポイントを用いた。 216-720 kyr BPについては、Matchソフトウェアパッケージを用いて同位体プロファイルを同期させた62。2つの同位体プロファイルのパターンが異なる可能性があるため、氷河期の入植はあらかじめ設定されたタイポイント20から除外された63。DF2とEDCの間の最大の不一致は、600-610 kyr BPの間に発見された。同位体の一致は、観測された傾向に大きな違いがあったため、記録のこの部分では不可能であった。 温度再構成 伝統的に、δDは、δD測定値と南極の気温との空間的な線形相関に基づいて、表層気温の代理として用いられてきた64。しかし、南極氷床コア1,2におけるδDとδ18Oの変動は、海洋水分源から降水サイトへの経路に沿った大気中の水蒸気の分画に伴うレインアウトの程度やサイト温度(ΔTsite)に依存している。水分源域の温度(ΔTsource)を補正したサイト気温(ΔTsite)を推定するために、線形反転法を用いた。この手法は、これまでにVostokコア18,29, EDCコア65, DFコア22に適用されている。混合雲同位体モデル66を用いて、DFサイトの気温(ΔTsite)と水分源領域内の温度(ΔTsource)に対するδDとdの感度を推定した。重線形回帰は以下の式で表される。  ここで、Δは現代からの偏差（現代は過去 2 年の平均値と定義）を表し、添え字の「corr」はレイリー方程式68 を用いて海水の同位体組成（Δ18Osw）67 を補正したアイスコア記録を示す。温度感度パラメータであるγsite, γsource, βsite, βsource には Uemura et al.22 の値を用いた。ボストークコアを用いたモンテカルロシミュレーションによると、ΔTsiteとΔTsourceの間氷期マグニチュードの不確かさはそれぞれ1.1℃と0.8℃であった29。 DFサイトの不確かさは、どちらも東南極の内陸部に位置しているため、ボストークの不確かさと似ているはずである。 上記の方程式は、過去の出版物との直接比較を可能にするために、dの伝統的な線形定義を用いて書かれた。d値の定義は、ΔTsiteとΔTsourceの値の再構成には影響しないことに注意してください。その代わりに、感度パラメータ22のみに影響を与えます。ΔTsource、d、dlnを比較すると、ΔTsourceの方がdの変動よりもdlnの変動に近いことがわかる（補足図3）。 また、ΔTsourceの他に、相対湿度もd値に影響を与える可能性がある。実際、現在の南洋の水蒸気の観測では、 d は海面水温と相対湿度の両方に依存していることが示されている69。レイリー型モデルに基づくと、dの相対湿度依存性は、Vostok19で-0.15‰/％、東南極で-0.045～-0.095‰/％と推定されている70。大気大循環モデルでは、現在と最後の氷河期との間の相対湿度の大きな変化は生じない71。大気、海洋、陸地のプロセスを連成した最新の気候モデルでは、南半球の海洋表面上の相対湿度の変化は±5％に過ぎないことが明らかにされた72。この相対湿度の推定値と感度値に基づくと、相対湿度の変化は±0.23～±0.75‰の d 変化をもたらすが、これは氷河期の約 6‰の振幅と比較しても有意ではない。 氷河期周期の約6‰の振幅と比較しても有意ではない（補足図3）。さらに、一般的な循環モデルは南極におけるΔTsourceの解釈を支持している73,74。 海面水温記録 その結果、DF水源域内の海洋堆積物50,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86の海面水温記録を17件収集した（図1）。この地域の海面水温を再構成するために、様々なプロキシ（アルケノン、Mg/Ca、動物化石）を使用した。このうち6つは年平均の海面水温を反映しており、9つは夏季の海面水温を反映している。 このうち2つのプロファイルは、夏と冬の海面水温の記録を平均して作成されたものである85。海面水温の値は、ΔTsource と同様に、現代値ΔSST（補足図 4）からの偏差で表されている。本研究では、過去 2～5 年の平均値を現代値とした。ホロ新世のデータが含まれていないMD07-3077については、同じサイトのMD07-3076の現代のSSTデータを用いた。また、MD02-2488については、49 kyr BPからのデータがあるため、現在の夏の海面水温を現代値とした。各ΔSSTデータは、線形補間を用いて2kyr間隔で再サンプリングした。その後、元の年齢スケールを調整せずにデータを平均化することで、積層されたΔSST記録を得た。ΔSSTの不確かさは、標準誤差(σ/√n)にt値(信頼度97.5%)を乗算して推定した。積層型海面水温分布と不確かさ間隔は、複数のデータレコード（4 レコード以上）が存在する期間のみを示した（図 1、補足図 4）。 アルベドデータ アルベド気候学は、TIROS-N衛星によって収集されたデータに基づいている。このデータセットは、合同大気海洋研究所の気候データアーカイブ（http://www.jisao.washington.edu/）から取得したものである。DF 領域のアルベドは 0.78, 水分源領域のアルベドは 0.46 である. 相関係数の有意性 線形相関係数の不確かさは、Fisher Z-transformを用いて推定した。全記録について、CO2とδD, ΔTsite, ΔTsourceとの相関の90%信頼範囲(R2)は、それぞれ0.68-0.73, 0.76-0.80, 0.75-0.79であった。 また、ぬるま湯期では、CO2とδD, ΔTsite, ΔTsourceとの相関は、それぞれ0.60-0.70, 0.72-0.79, 0.77-0.83となっています。このように、ΔTsite(およびΔTsource)とCO2の相関は、ΔDとCO2の相関よりも有意に強い。また、ΔTsourceとCO2の相関は、ΔTsiteとCO2の相関よりもわずかに高いが、統計的には有意ではない。 スペクトル解析と斜行成分 スペクトル解析は、Analyseriesパッケージ87を用いてBlackman-Tukey法（30%ラグ）で行った（図3、補足図5）。図3のデータは、線形補間法を用いて700年間隔でリサンプリングし、1年間隔のカットオフローパスフィルターを用いて平滑化した。 図S5のデータは、線形補間を用いて100年間隔で再サンプリングしたものです。日射データ88 と 41 kyr の斜度成分（図 4）は、Analyseries ソフトウェアパッケージを用いてガウスフィルタを用いて計算した（f = 0.0244 (1/kyr)、帯域幅 0.00488）。 位相解析に伴う不確かさは以下の3種類であった。(i)氷期対氷期相解析誤差(σphs)。温度プロキシ間の相対的な遅れは、同じ氷試料から推定されたものであるため、可能な限り信頼性の高いものであった。また、ΔTsiteとΔTsourceの相解析結果（補足図5）を90%信頼区間で示した。(ii) 氷期対ガス期の相分析誤差（σCO2）。大気が周囲の氷よりも若かったため、CO2濃度と温度の間の正確な位相差を求めることは複雑でした。温度プロキシとCO2の間の位相分析（図3）は、90%の信頼区間（すなわち、(i)で述べた誤差）と±0.55 kyrのガス年代と氷年代の差に関連した追加の不確かさで示されています。 この追加の不確かさは、1.9-5.5 kyr8 のガス-年代/氷-年代差8 と 10%の年代差89 の不確かさを用いて推定したもので、ΔTsite とΔTsource の間の相の分析的不確かさは約 2 倍になった。(iii) 氷河期と軌道年代の位相解析誤差(σorb)。斜度のばらつきと比較するためには、氷の絶対年齢不確かさ（AICC2012）を考慮する必要があります。AICC2012の不確かさは、過去100-720 kyrの平均で±2.6 kyrである23。また、ΔTsite, ΔTsource, ΔTgrad の位相差と信頼区間(90%)は、それぞれ4.1±0.7, 7.5±1.3, 1.9±0.3 kyrであった。例えば、ΔTsiteについては、二乗平均平方根誤差を用いた場合の誤差推定値は±2.7 kyrである。したがって、ΔTsiteの斜度に対する4.1 kyrのラグは、調査期間中のほとんどの期間において有意であった。気体年齢対軌道年齢相解析の誤差はσorbと同様であり、これはAICC2012のガスの年齢スケールの不確かさが±2.6 kyrであり、過去100-720 kyrの間の平均値である23。 データの利用可能性 本研究で使用した生データは、NOAAの国立環境情報センター（NCEI）（旧国立気候データセンター（NCDC）データアーカイブ（https://www.ncdc.noaa.gov/paleo/study/23371））で入手可能である。また、データは著者からも入手可能である。 References 1.EPICA Community Members. 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Author information Author notes Takayuki Kuramoto Present address: Research Department, Fukushima Prefectural Center for Environmental Creation, 10-2 Fukasaku, Miharu, Fukushima, 963-7700, Japan Hiroshi Ohno Present address: Department of Global Environmental Engineering, Kitami Institute of Technology, 165 Koen-cho, Kitami, Hokkaido, 090-8507, Japan Shinichiro Horikawa Present address: Earthquake and Volcano Research Center, Graduate School of Environmental Studies, Nagoya University, Nagoya, Japan Affiliations Department of Chemistry, Biology, and Marine Science, University of the Ryukyus, 1 Senbaru, Nishihara, Okinawa, 903-0213, Japan Ryu Uemura National Institute of Polar Research, Research Organization of Information and Systems, 10-3 Midori-cho, Tachikawa, Tokyo, 190-8518, Japan Hideaki Motoyama, Kenji Kawamura, Kumiko Goto-Azuma, Shuji Fujita, Takayuki Kuramoto, Motohiro Hirabayashi, Takayuki Miyake, Hiroshi Ohno & Yoshiyuki Fujii Department of Polar Science, The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI), 10-3 Midori-cho, Tachikawa, Tokyo, 190-8518, Japan Hideaki Motoyama, Kenji Kawamura, Kumiko Goto-Azuma, Shuji Fujita & Motohiro Hirabayashi Laboratoire des Sciences du Climat et l’Environnement (LSCE), Institut Pierre Simon Laplace, CEA-CNRS-UVSQ, Université Paris Saclay, UMR 8212, Gif-sur-Yvette, France Valérie Masson-Delmotte & Jean Jouzel Graduate School of Environmental Studies, Nagoya University, Nagoya, 464-8601, Japan Koji Fujita Atmosphere and Ocean Research Institute, The University of Tokyo, Kashiwa, 277-8568, Japan Ayako Abe-Ouchi Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, 3173-25 Showamachi, Kanazawa, Yokohama, Kanagawa, 236-0001, Japan Ayako Abe-Ouchi Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Kita-ku, North 19 West 8, Sapporo, Hokkaido, 0600819, Japan Yoshinori Iizuka & Shinichiro Horikawa Nishina Center, RIKEN, Hirosawa 2-1, Wako, 351-0198, Japan Makoto Igarashi Department of Environmental Sciences, Shinshu University, Asahi 3-1-1, Matsumoto, 390-8621, Japan Keisuke Suzuki Department of Earth and Environmental Sciences, Yamagata University, Kojirakawa 1-4-12, Yamagata, 990-8560, Japan Toshitaka Suzuki Contributions The analyses of water isotopes were performed by R.U., T.K. and H.O. The data analysis and age modelling were performed by R.U., K.K. and S.F. The temperatures were reconstructed by R.U., V.M.-D. and J.J. The field science and ice-core management were performed by H.M., S.F., K.G.-A., K.K., T.K., M.H., T.M., R.U., K.F., Y.I., S.H., M.I., K.S., T.S. and Y.F. The manuscript was written by R.U., V.M.-D. and J.J., A.A.-O., K.F., Y.I. and K.G.-A. All the authors discussed the results and contributed to improving the final manuscript. Corresponding author Correspondence to Ryu Uemura. Ethics declarations Competing interests The authors declare no competing interests. Additional information Publisher's note: Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. Electronic supplementary material Supplementary Information Rights and permissions Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons license, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons license, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons license and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/. Reprints and Permissions About this article Verify currency and authenticity via CrossMark Cite this article Uemura, R., Motoyama, H., Masson-Delmotte, V. et al. Asynchrony between Antarctic temperature and CO2 associated with obliquity over the past 720,000 years. Nat Commun 9, 961 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-03328-3 Received 16 August 2017 |