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ミランコヴィッチメニューへ戻る CO2とCH4の大気中への人為的排出下での地球の気温と大気中のCO2含有量の変化の間のタイムラグ Time lag between changes in global temperature and atmospheric CO2 content under anthropogenic emissions of CO2 and CH4 into the atmosphere K E Muryshev1 , A V Eliseev1, 2, 3, S N Denisov1 , I I Mokhov1, 2, 4 ,M M Arzhanov1 and A V Timazhev1 1A.M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS, Moscow, Russia 2M.V. Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia 3Kazan Federal University, Kazan, Russia 4Moscow Institute of Physics and Technology (State University), Dolgoprudny,Russia M MArzhanov 1およびAV Timazhev1 Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS オブホフ大気物理学研究所 、モスクワ、ロシア 2 M.V. Lomonosovモスクワ州立大学、モスクワ、ロシア 3 カザン連邦大学、カザン、ロシア 4 モスクワ物理技術研究所（州立大学）、ドルゴプルドニ、ロシア Turbulence, Atmosphere and Climate Dynamics IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 231 (2019) 012039 IOP Publishing doi:10.1088/1755-1315/231/1/012039 抄録 これまでに、地球の温度変化と大気中のCO2含有量qCO2との間のタイムラグは、一般的に地球システムの因果関係を特徴づけるものではないことが示されてきた。特に、非温室効果放射強制の場合、このタイムラグの符号は強制の時間スケールに依存する。 本論文では、大気中へのCO2とCH4の外部放出によるTとqCO2の変化の時間差を調べた。 その結果、外部排出の時間スケールが十分に大きい場合には、前者が後者の主な原因であるにもかかわらず、qCO2の変化がそれに対応するTの変化に遅れをとっていることがわかった。 1.はじめに 地球システムの地球の表面温度は、過去1世紀にわたって上昇している。1880-2012年の平均温暖化は0.85 K（不確かさの範囲は0.65 K to@1.06 K）、1951-2012年の平均温暖化は0.72 K（不確かさの範囲は0.49 Kから0.89 K）であった[1]。一般的に受け入れられている考え方と一致して、温暖化の主な原因は人為的な温室効果であり、他の人為的・自然的な影響や気候システムの内部変動を伴っており、時にはそれを補うこともある[2]。 このことは、実証モデル[3-11]や地球規模の気候モデル[12-18]によって確認されている。しかし、観測された温暖化の性質については、いくつかの代替的な仮説がある。これらの仮説を支持するために広く用いられている議論の一つが、南極の氷床コアから得られた地球温度Tと大気中の二酸化炭素含有量qCO2の変化のタイムラグである[24-28]。 また、[29]では、過去数十年間の計 測データにおいて、qCO2の経年変化が、それに対応するTの変化よりも遅れていることが示されている。このようなラグは、効果が原因を導くことができないことが予想されるため、気候変動における人為的温室効果の役割を否定するための議論として用いられている（[21]など）[30-36]。 37]では、このようなタイムラグが地球システムの非線形性の結果として得られる可能性があることが示されている。ここで注意しなければならないのは、因果関係は事象間に存在しており、変数やデータ系列ではないということである。イベントは変数の値の変化である。 この意味で、時間間隔t1-t2の間の温度Tの変化であるイベントE1は、もちろん、次の時間間隔t2-t3の間のqCO2の変化であるイベントE2の影響であることはありえない。しかし、たとえTの系列がqCO2の系列をリードしていたとしても、イベントE1が前回の時間間隔t0-t1の間のqCO2の変化であるイベントE0の影響であることは禁じられていない。 一般的に受け入れられている定義によれば、時系列間の相互の遅れは、時系列間の最大相互相関関数を介して決定される。実際には、ある時間間隔において、先行する変数が遅れている変数よりも早く極点に到達することを意味することが多い。 後者は、qCO2増分の符号の変化であるAqよりも前に、Tの時間増分の符号の変化であるATが発生した場合と等価である。逆に言えば、イベントAqがイベントATの原因になることはありない。しかし、qCO2の漸増であるイベントBqが、Tの漸増であるイベントBTの原因になることは禁じられていない。 これらの議論は、2つの相関変数の間の因果関係の性質を、その相互作用の性質についての考え方を一切介在させずに、その変化の間のタイムシフトによって決定することは不可能であることを示している。さらに、qCO2とTの変化のメカニズムとして、先行変数の変化が後続変数の変化の結果であるという特異的なメカニズムを指摘することも可能である[40]。 本研究の目的は、CO2やCH4のような温室効果ガスの大気中への複数(少なくとも2つ)の人為的な排出によって気候システムが強制的に変化する場合にも、同様の効果が生じることを示すことである。この場合、qCO2の変化は、前者が後者の発生の主な原因であるにもかかわらず、対応するTの変化に遅れをとる可能性があることを示している。CO2の変化とTの変化の相互の遅れを調べる。 2. IAPRAS気候モデル午前に開発された気候モデル ロシア科学アカデミーのオブホフ大気物理学研究所（IAP RAS CM）は、[41、42]に記載されている。モデルには、大気用のモジュールが含まれている。  ここで、qCH4は大気中のメタンの濃度、ECH4は大気中へのメタンの総（自然および人為的）排出量、β= 2.75 MtCH4 / ppbvである。 τtotの場合、  ここで、τsoil= 150年は土壌中のメタン分解の時間であり、τatmは大気中のメタンの温度依存寿命である[42]。 人為起源のメタン放出は境界条件として課せられる。 このガスの自然排出量は、インタラクティブに計算された土壌からの排出量とその他の（非湿地）自然排出量の合計として表される。 後者の非湿地放出フラックスは、65 MtCH4 /年に等しいと規定されている[42]。 3.概念的な地球システム気候モデルこの論文で使用されている炭素循環を伴う概念的な気候モデルは、地球の気温と大気中のCO2およびCH4含有量の初期値からの偏差を特徴付ける方程式で構成されている。 平衡値。 最初の方程式は、気候システムの熱バランスを表している（[35、46]などを参照）。  ここで、T（0）= 13.7°Cは地球温度の基準値、C = 109 J m2 K – 1 [46]は単位面積あたりの熱容量であり、厚さ350mの海洋層の熱容量にほぼ対応する。 Rtotは総放射強制力であり、λ0（T –Т（0））という用語は、すべての気候フィードバックを線形形式で特徴付けられる（特に、大気湿度の温度依存性を含む）。 係数λ0は気候感度パラメータと呼ばれる。 放射強制力Rtotは、3つの要素に分けることができる。1つはCO2の温室効果に対応し、2つ目はCH4の温室効果に対応し、3つ目は非温室効果の放射強制力（太陽定数の変化、火山噴火など）に対応する ）。  この作業では、Rx≡0の唯一のケースが考慮される。 CO2の温室効果放射強制力は次の形で表される。  ここで、qCO2（0）= 278 ppmは大気中のCO2の産業革命前の値であり、R0は正規化係数である。 現代の気候モデルR0 = 5.3 W m-2の場合、値λ0は0.6〜1.6 W m-2 K-1の範囲にある[47]。 概念モデルの標準バージョンでは、λ0= 1 W m-2 K-1である。 メタンの放射強制力は[48]に従って計算される。 大気中のメタン含有量とその自然放出は、IAP RASCMと同じ方法で計算される。 大気中のメタンの破壊は（化学変換連鎖の結果として）二酸化炭素の形成につながるため、qCO2の式の右部分には、qCH4に応じて追加の項がある。 この方程式の形は次の通りである。  ここで、qCО2は大気中の二酸化炭素含有量[ppm]、c0 = 2.123 GtC / ppm（CO2）、ECO2は大気中への外部（たとえば人為的）CO2排出量、FlandとFocは大気から陸域生態系への炭素フラックスであり、海にそれぞれ、μ= 0.27∙10-3GtC / ppb（CH4）となる。 Fland と Focの計算スキームは、[38]で説明されている。 4. 数値シミュレーション IAPRAS CMと、大気中への二酸化炭素とメタンの人為的排出によって強制される概念的な気候モデル（それぞれECO2とECH4）を使用して数値シミュレーションを実行した。 排出量は、次のように時間とともに変化する。  ここで、t（0、+）は時間、Pは排出量変化の時間スケールである。 関数（9）、（10）の外観を図1に示す。CO2とCH4の排出量は、年々の時間スケールでのこれら両方のガスの人為的排出量が人間の経済の強度に比例すると仮定しているため、同相である。  図1. 形状（9）、（10）のСО2とСН4の同相放出。 数値シミュレーションは、ECO2,0 = 10 GtC /年およびECH4,0 = {180; 360; 720 MtCH4 /年}。 振幅ECO2,0 = 10 GtC /年およびECH4,0 =360МтСН4/年は、20世紀後半から２１世紀初頭に典型的なCO2およびCH4の人為的排出量の値に対応する。 シミュレーションは、10年から1500年まで変化するP値に対して実行された。 TとqCO2の変化の間のタイムラグΔは、これら2つの変数間の最大相互相関関数を介して決定された。 最大相関係数の一般的な値は0.99以上です。 IAP RAS CMを用いた数値実験で得られた外部強制（排出量変化）Pのタイムスケールに対するタイムラグΔの依存性と概念モデルは、定性的に一致している（図2a、b）。 ）  図2. IAP RAS CM（a）および概念モデル（b）を使用した数値シミュレーションにおける全球表面温度Tの変化と大気中の二酸化炭素含有量qCO2の間のタイムラグΔ：Δ> 0-Tより遅れているqCO2を表す 。 Tの変化は、qCO2の変化よりも遅れ、外部強制の時間スケールP（排出量の変化）に依存してそれらを導く可能性があることがわかった。 100年のタイムスケール（P <400年）では、Tの変化はqCO2の対応する変化（Δ<0）に遅れるが、ミレニアムのタイムスケール（P> 800年）では、qCO2の変化はTの変化に遅れ（Δ> 0） ）、前者が後者の主な原因である。 TとqCO2の間の遅れがその符号を変える臨界時間スケールPcrの正確な値は、比率ECO2.0 /ECH4.0に依存する。 CO2およびCH4排出量によって駆動されるシミュレーションでは、ミレニアムタイムスケールでqCO2がTに遅れる場合、地球システムの非線形性は必要ないことに注意すること。 概念モデルの線形化および簡略化されたバージョン（[49]と同様）の分析は、閉じた形式の解を得ることができる3つの線形微分方程式のシステムでもそのような遅れが発生する可能性があることを示している。 必要な機能は、緩和時間と放射効率が異なる2つの温室効果ガスの存在である。手元の効果は定性的に説明できまる。急速な酸化（緩和時間の短さ）による大気中のメタンの濃度は、CO2濃度よりも速く減少する。 このため、qCO2とqCH4の最大値の間にある総放射強制最大値は、qCO2の最大値よりも早く達成される。 qCO2の最大値と総放射強制Rtotの最大値の間のラグは、CO2およびCH4排出量の変化の時間スケールに比例する。 次に、最大温度は、τT= C /λ0以下の時間だけRtotの最大値より遅れる。この時間スケールは、CO2およびCH4排出量を決定するパラメーターに依存しない。 CO2とCH4の排出量の変化の時間スケールが十分に大きい場合、Tの最大値はqCO2の最大値よりも早く到達する。 5.結論 本論文では、地球表面温度 T と大気中の CO2 量 qCO2 の変化に相互の遅れが生じる可能性のあるメカニズムについて述べた。このメカニズムは、地球の気候システムが、人為的な二酸化炭素とメタンの同相排出によって強制されている場合に働く可能性がある。外部強制（CO2やCH4の排出量の変化）の時間スケールPによっては、Tの変化がqCO2の変化に遅れをとることと、qCO2の変化を導くことができることが示されている。 Pが大きい場合には、qCO2の変化は対応するTの変化に遅れているが、前者が後者の発生の主因と考えることができる。この結果は, qCO2 と qCH4 の緩和時間の違いによるものである. このようなCO2やCH4の人為的放出によって地球システムが強制的に大気中に放出される場合、qCH4の最大値は常に2つのガスの温室効果放射強制力Rtotの最大値をリードし、qCO2の最大値は常にそれに遅れている。 排出量の変化の時間スケールが十分に大きい場合、Rtotに対するqCO2の遅れの値は、対応するTの遅れよりも大きくなり、これは気候システムのフィードバックパラメータにのみ依存する。このように、qCO2とTの間のタイムラグのメカニズムには、幅広い地球システムモデルに典型的なプロセスが含まれている。 その結果、観測された効果は、他の類似モデルでも同様の現象が発生することが期待できる。なお、今回議論されている効果の有無は、気温の変化が土壌からのメタン排出にどのような影響を与えるかに依存するものではないことに注意が必要である。また、大気中で酸化されたメタンがCO2に変換されるだけでは不十分である。 このことは、他の温室効果ガスでも同様の効果が起こりうることを意味している。得られた結果は、一般的なケースでは、2つの相関のある変数の間の因果関係の性質を、それらの相互作用の性質についての考えを伴わずに、それらの変化の間のタイムシフトによって決定することは不可能であることを示している。 作業は、ロシア教育科学省協定№14.616.21.0078（RFMEFI61617X0078）によって資金提供されています。 References 参考文献 [1] Hartmann D, Klein T A, Rusticucci M, Alexander L, Brönnimann S, Charabi Y, Dentener F, Dlugokencky E, Easterling D, Kaplan A, Soden B, Thorne P, Wild M and Zhai P 2013 Observations: atmosphere and surface Climate Change 2013: The Physical Science Basis. 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