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| ミランコヴィッチメニューへ戻る Fischer, H., Wahlen, M., Smith, J., Mastroianni, D. & Deck, B. Ice core records of atmospheric CO2 around the last three glacial terminations. Science 283, 1712–1714 (1999). Science 12 MARCH 1999 VOL 283 SCIENCE www.sciencemag.org 極地の氷床コアに含まれる気泡に閉じ込められた空気は、地球規模の炭素循環と温室効果ガスと過去の気候との関係を再構築するためのアーカイブを構成している。南極の氷床コアからの高解像度の記録は、過去3回の脱氷期の温暖化の後、600〜6400年の間に二酸化炭素濃度が体積比で80〜100ppm増加していることを示している。気温が急激に低下しているにもかかわらず、二酸化炭素濃度が高い状態が何千年にもわたって維持されていることを示しています。 本文 これまでの南極氷床コアの研究(1-3)では、最後の気候サイクルの間に大気中のCO2濃度が80～100ppmv(part parts per million by volume)で変化していることが明らかになり、連続的な大気測定(4)と合わせて、人為的な排出によってCO2濃度が産業革命前の280ppmvから現在の360ppmv以上に増加していることが示されており、これは氷期間氷期の変化の80%以上の増加である。氷河期間氷期遷移に伴う大気中のCO2濃度の変動は、気候による地球規模の炭素循環の変化(5, 6)に起因していますが、それに伴う温室効果によって気候変動を増幅させています。 そのため、氷床コアの記録から過去の気温と温室効果ガスの関係を推定し、温室効果ガス濃度の変化に対する気候の感度を推定する(7)ことで、人為的な地球温暖化の予測を制約することが行われてきた。しかし、この方法では、すべての気候サイクルに代表される系統的な変動と、各事象に特有の変動を分離する必要があり、また、温室効果ガス濃度と気候プロキシの間のリード・ラグをより詳細に把握する必要があります。大気中の炭素貯留層の短期的な変化を解決し、CO2濃度の主要な変動の開始と終了を拘束し、これらの変動が時間的に代表的であるかどうかを検証するために、我々は海洋同位体ステージ（MIS）8からMIS7（現在（B.P.）より約21万年前から25万年前）までの南極ボストークのCO2記録を拡大し、最後の脱氷期（B.P.約7万年前から16万年前）付近の時間間隔を100年から2000年の高分解能で解析した（8）。 このデータセットは、最近南極テイラードーム（TD）氷床コア（6,9）から得られた過去3万5000年分のCO2記録によって補完されています。アイスコアの空気サンプルの内部時間分解能は、囲い込み過程で発生した気泡の年代分布によって制限されている(10)。この年代分布は、現在のところVostok(11)では約300年、TDアイスコア(9)では約140年ですが、氷河期の場合には約3倍になります(11)。ボストクコアの終着点IIとIIIに用いられている深海氷年代は、最近拡張された氷河学的時間スケール(12)を拡張したものです。年代の不確実性（第三期では1万年程度）はかなりのものですが、ボストクのCO2とボストクの同位体温度（dD）の記録を一貫して比較する限り、絶対的な時間スケールはさほど重要ではありません。 それよりも重要なのは、ある深さでの氷と空気の相対的な年代の違いです。氷河期と大気の年代差（Dage）は、気候学的なモミ密化モデル（11）を用いて計算され、温暖期と寒冷期でそれぞれ約2000年から6000年の間で変化します。このモデルの精度は、最近の期間では100年よりも良いが、氷河期では1000年のオーダー(11)であり、アイスコアアーカイブの氷とガスの記録の位相変化を解釈する際には注意が必要である。終端Iの場合は、グリーンランド中央部と南極のアイスコアのCH4変動を同期させた最近発表された年齢スケールを用いた(13, 14)。CH4相関の精度は、CH4の変化が大きかった期間では約200年であるが、CH4の微妙な変化のみが発生した紀元前17〜25年の間では、あまりよく拘束されていない。 また、TDのCO2記録はグリーンランド氷床プロジェクト2(GISP2)コア(14)との相対的な年代を示しているのに対し、ByrdとVostokの同位体温度記録はグリーンランド氷床プロジェクト(GRIP)の氷床コア(13)と同期しているため、さらに不確かさが増している。この不確かさは、GISP2とGRIPの年代測定がよく一致している紀元前10〜15年の間には関係ないが、紀元前20年の時点では、2つのグリーンランド基準コアの間に最大2000年のずれがある。 図1では、私たちのデータと過去に発表されたCO2濃度の記録（1, 6, 9, 11, 15, 16）を、南極のアイスコアの記録（13, 17-19）と比較しています。CO2濃度は本質的に全球的なシグナルであることに注意してください。対照的に、同位体温度記録の地理的な代表性は、シノプティックスケールから半球スケールまで、そしてそれに応じて異なるコア内で変動し、より短い時間スケールでは変動が大きくなる可能性がある。ここで紹介したVostokとTDのCO2データは、過去のCO2値とよく一致しています。 10,000年の時間スケールでは、CO2は同位体温度と相関しており、氷河期のCO2濃度の最小値は180〜200ppmvであり、氷期-間氷期にはCO2濃度の急激な上昇を伴って最大270〜300ppmvまで上昇し、氷河期には徐々に低いCO2濃度に戻ることが分かりました。しかし、それよりも短い時間スケールでは、より複雑な状況が展開されます。TD記録に記録されている終端I期の大気中CO2濃度の上昇は、紀元前19〜20年頃から始まりました。一方、南極のByrdやグリーンランドのGRIP氷床コア(13)で記録されているように、気温が上昇し始めたのは、明らかにB.P.20からである。ここでも、Byrdの記録では、CO2濃度の上昇はTDデータよりも2000年～6500年遅れていることがわかります。残りのCO2記録は非常によく一致していることから、これらの不一致は、異なるグリーンランドの基準コアによって誘発された第一期終息の開始時の年齢制約が不十分であったことに起因していると考えられます。Byrdの記録(20)の同位体温度の最大値から600年から1000年後のByrdの記録(9)では、CO2濃度の最大値が270ppmvに達しています。B.P.8 ky B.P.までは5～10 ppmvの減少が続き、その後は工業化前の280 ppmvまで徐々に上昇していきます(9)。 この特徴は、南極の同位体温度(21)の南極寒冷反転(ACR)よりも300〜500年遅れているが、若年ドライアス冷却現象の1000年前に発生していることを示している。CO2濃度の上昇が始まる前に、135kyB.P.でCO2濃度が低下し、128kyB.P.で290ppmvの最大値に達する第二終末期のCO2濃度の上昇が始まる。第二期終末期の大規模な温暖化の開始時期を明確にするのは難しいが、最後の温暖化期には、南極の気温よりも400～600年遅れてCO2濃度が最大値を示すようになる。 その後の15,000年のエミアン暖冬期では、南極氷床上での明確な冷却にもかかわらず、CO2濃度に大きな変化は見られない。MIS5.4の大規模な冷却の6000年後までは、CO2濃度の大幅な低下は見られませんでした。CO2濃度が温度変化とほぼ同相の関係に戻るには、さらに4000年から6000年の時間が必要です。最終的に、第III期は244ky B.P.で205ppmvのCO2濃度で始まりますが、これは第I期と第II期の始まりよりも若干高くなっています。CO2濃度は244から241までゆっくりと上昇し、238で300ppmv以上に急上昇します。 238kyB.P.以前のdD記録の分解能がやや粗いことを考慮すると、CO2の大幅な上昇は気温の上昇に遅れをとる傾向があり、dDのピークから200年後に最大CO2濃度が6006ppmvに達することになります。これとは対照的に、MIS 7では高いCO2濃度は維持されず、MIS 7.4までの急激な温度低下を経て、MIS 7.4に至ります。MIS 7.4の間の同位体温度の最小値から1000～2000年後には、CO2濃度が210ppmvと低くなります。B.P.224から228年の温暖な氷河期の間の短い暖かなイベントは、気温に対して約1,000から6,600年の位相差を持つ大気中のCO2濃度の30ppmvの上昇に反映されているように見えます。 MIS 7.3の温暖期の初めには、30ppmvのCO2濃度の上昇が見られますが、これは気温の記録と一致しているように見えます。これらのイベントの間のCO2濃度の変動は、Vostok同位体温度の変化から予想されるよりもはるかに大きく、MIS 5の間には対応するものはありません。 上記の3つの時間間隔のイベントのシーケンスを比較すると、炭素循環と気候の関係は（少なくとも）脱氷と氷河のモードに分離されるべきであることが示唆されています。大気中のCO2濃度は、3つの終着点すべてで同様の上昇を示し、気候主導の海洋から大気への炭素の正味の移動と関連しています(6)。 気温変化に対するCO2濃度の上昇のタイムラグは、3つの氷河-間氷期遷移の間に400年から1000年のオーダーである。Dageの不確かさ（最近の状態と氷河期の状態では100年から1000年の間）を考慮すると、このようなタイムラグは、氷河期の状態でのDageの過大評価によって説明できることになります。Dageモデルと現在の実測値がよく一致していることは、少なくとも暖かい時期の初めのラグが実在しているという考えを支持している。 このラグの大きさは（現在のような換気の良い海洋の場合）海洋混合時間のオーダーであり、気候変動後の深層海洋-大気-炭素系内の平衡化の時定数を制御する主要な要素である。最近の人為的な温暖化の場合、化石燃料の燃焼によるCO2排出による外部気候強制が気候変動を導くため、過去から導き出されたCO2-気候関係を最近の温暖化に適用することは一筋縄ではいかないように思われます。 間氷期や氷河期では、状況はさらに複雑になっています。完新世とエマ紀の長期温暖期では、大気中のCO2濃度は初期最大値の後に10 ppmv低下し、これは大気中からCO2を抽出する陸域の生物圏炭素貯蔵量が大幅に増加したためである。エミアンの場合、MIS5.5の初期最大値以降は、気温が徐々に低下しているにもかかわらず、CO2濃度は一定であり、終新世では、過去8000年の間に大気中のCO2濃度が増加していることさえある。 完新世のCO2とd13CO2のアイスコアデータに炭素循環モデルを適用すると(9)、炭素循環の平衡は確立されておらず、陸域生物圏の衰退と衰退が、微妙な気候変動と初期の人間の土地利用に関連している可能性があり、過去1万年間の大気中のCO2濃度を制御する最も重要な要因であることが示されました。MIS 5.4では、さらに氷河期が進むと、気温は大きく低下するものの、CO2濃度は一定に保たれています。 これは、より寒い気候条件で予想される海洋でのCO2の取り込みの増加と、氷河期の陸域生物圏の純減少によるCO2の放出の組み合わせを反映していると考えられ、また、露出度の高い棚に堆積した有機炭素の呼吸による可能性も考えられます。しかし、これらのプロセスは、MIS 5.4の最低気温に達し、氷の体積が最大となる紀元前111kmに達した後に（多少の遅れはあるが）終了するはずである(22)。この仮説と一致して、Vostokの記録では、CO2濃度は約111ky B.P.で減少し始めています。 このMIS 5.4の冷却に対するCO2の反応の遅れを説明するもう一つの可能性として、海洋でのCO2の取り込みが抑制されていることが考えられます。いずれにしても、MIS 5.4の間に南極氷床の温度が約5℃低下したことは(17)、この寒冷期の初めに遭遇した間氷期のCO2強制力との調整が難しく、過去のCO2と気候の関係を最近の人為的な温暖化に単純に適用することに疑問を投げかけます。 もう一つのシナリオは、MIS 7の間に発生したもので、長期の温暖期が観測されませんでした。第三期末の気温は第二期末と同程度であり、CO2濃度もわずかに高くなっていますが、MIS7.4では南極の気温低下に比べてCO2の減少の遅れがかなり短いことが分かりました。また、SPECMAPの記録(23)と比較すると、間氷期のMIS7.5の間には、ホロ新世やエミアン暖冬期に比べて氷の体積が大きくなっていることが分かります。したがって、MIS7.5の間の陸域生物圏の蓄積量ははるかに少なく、海面の変化も小さいと予想され、次の氷河期には大気中へのCO2の放出量が少なくなり、海洋によるCO2の取り込みを十分に相殺することができないことになります。 参考文献と注釈 1. J. M. Barnola, D. Raynaud, Y. S. Korotkevich, C. Lorius, Nature 329, 408 (1987). 2. A. Neftel, E. Moor, H. Oeschger, B. Stauffer, 315, 45 (1985). 3. D. Raynaud ら、Science 259, 926 (1993)。グリーンランド中央部での最近の調査では、炭酸塩反応や有機物反応（またはその両方）に関連した氷中のCO2生成が報告されており、決定されたCO2濃度の妥当性が大きく損なわれている。しかし、南極の氷コアは、南極の氷に溶け込んでいる活性炭素種の量が非常に少ないため、この影響を受けることはほとんどありません。 4. C. D. Keeling, T. P. Whorf, M. Wahlen, J. van der Pflicht, Nature 375, 666 (1995). 5. このような状況下では、南極海の氷の中には、南極海の氷に溶け込んでいた種が存在していた。 6. H. J. Smith, H. Fischer, M. Wahlen, D. Mastroianni, B. Deck, 準備中。 7. C. Lorius, J. J. Jouzel, D. Raynaud, J. Hansen, H. Le Treut, Nature 347, 139 (1990). 8. M. Wahlen, D. Allen, B. Deck, A. Herchenroder, Geophys. Res. Reshys. Lett. 18, 1457 (1991). Vostok 5GとTDの氷から空気サンプルを乾式抽出法で抽出し、CO2濃度をレーザー分光法で測定した。1回の測定の精度（ダイオードレーザーの複数の周波数チューニングの標準偏差によって本質的に決定される）は5ppmvよりも優れています。レーザー分光法は非常に小さなサンプル(;4g)の使用を可能にし、クラックのない氷を採取し、同じ深さのサンプルを同じ間隔で測定することを可能にしました。一般的に、すべての与えられたCO2濃度は、少なくとも3つのサンプルの平均と標準偏差に対応しています。平均して、そのような再現測定のばらつきは7.5ppmv(1s)です。 9. A. Indermu¨hleら、Nature、出版中。 10. J. Schwanderら、J. Geophys. Res. Res. 98, 2831 (1993). 11. J. -M. 12. 拡張された氷河期と空気期の時間スケールは、J. Jouzel と J.-R. Petit によって親切に提供された。Petit. Vostok 5Gコア(17)の深度をわずかに補正した後、深度年齢スケールを線形補間することで、サンプルの深度に年齢を割り当てた。J. Jouzelらによって記述された手順に基本的に基づいた拡張時間スケールの計算を記述した出版物が準備中である。 13. T. Blunierら、Nature 394, 739 (1998)。 14. E. J. Steigら、Science 282, 92 (1998)。 15. A. Neftel, H. Oeschger, T. Staffelbach, B. Stauffer, Nature 331, 609 (1988). 16. B. シュタウファーら、同書392, 59 (1998)。 17. J. Jouzelら、Clim. Dyn. 12, 513 (1996). 18. J. R. Petitら、Nature 387, 359 (1997)。 19. このような状況下では、研究者の研究者は、その研究成果に基づいた研究を行う必要があると考えている。 20. 相関係は、スプライン近似で表されるCO2濃度と同位体温度の長期トレンドの極大値と極小値を比較して決定した。与えられた誤差は極値の実際の位置の不確かさを反映したものであり、平滑化の程度には弱く依存する。これらの誤差は Dage の不確かさを考慮していない. この追加誤差はデータの議論の中で別個に扱われる. 21. T. Blunier 他, Geophys. Res. Lett. 24, 2683 (1997)。 22. D. G. マーティンソンら、Quat. Res. 27, 1 (1987)。 23. J. Imbrieら, in Milankovitch and Climate, A. Bergerら, Eds. (Reidel, Hingham, MA, 1984)、269～305 ページ。 24. J.-M. Barnola と D. Raynaud には有益なコメントをいただき、また、サンプル選択の過程で、過去 4 回の氷期-間氷期サイクルの未発表の Vostok CO2 記録を共有していただいたことに感謝します。この研究は、NSF補助金 OPP9615292、OPP9196095、OPP9118534 の資金援助を受けた。H.F.の財政的支援は、ドイツ科学技術庁（Deutsche Forschungsgemeinschaft）によるものである。 1998年11月30日；1999年1月29日に受理  図1. 南極Byrd, Vostok, TDアイスコアから得られた大気中のCO2濃度と同位体温度の記録。CO2濃度データのエラーバーは、同じ深さ間隔での1秒単位の測定値を示している。CO2 濃度の長期的な傾向は、3 次スプライン近似(P 5 5 3 1029 )で示されている。 |