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| ミランコヴィッチメニューへ戻る 地質学的関係における気候と時間ー地球の気候の世俗的な変化ー James Croｌｌ ロンドン・エドワード・スタンフォード 1875年に印刷されたJ.クロールの本のタイトルページ。クロール理論は、地球規模の気候変動に対する軌道主導の日射変動の影響を立証する上で、大きな一歩となった。著者の幅広い博学さと、この問題への徹底したアプローチは注目に値する。 クロールはまず、地球の内部熱蓄えの気候への影響、宇宙空間の「暖かい」部分と「寒い」部分の地球の通過、太陽定数の変化の可能性、土地と水の分布などについての仮説を検討し、一般的に、それらが氷河-間氷期サイクルの原因にはなり得ないことを説得的に示した。 彼は、氷河が繰り返される最も可能性の高い原因は、軌道主導の日射量の変動にあるに違いないと結論づけました。クロールはアデマールの著書が出版されてから約20年後に研究を始め、彼の代表作である単行本『気候と時間の地質学的関係』[Croll, 1875]が出版される頃には、科学はかなり進歩していました。 1843年、ルブリエは、過去1800年から10万年後の未来までの期間の軌道要素の変化を計算した。レブリエの計算は、私たちが知っているように、惑星ネプチューンの発見につながった。J.ガイキーとP.A.クロポトキンは、多重氷河の結論に達した。クロールは天文学、物理学、気象学、地質学の新しい発展をよく知っていました。 また、地球規模の気候変動を分析する際には、年間平均熱量を考慮に入れる必要があるというフンボルトの前述の見解も知っていました。クロールは、軌道上で駆動される日射量の変化が地球気候に与える直接的な日射量の影響は、日射量の変化の偏心率が非常に小さく、他の2つの要素の変化に関連した地球全体の年平均日射量の変化はゼロ（「補償」されている）だからであるということを理解していました。 彼はまた、彼の新しい考えがあまりにも贅沢なものであることを自覚していましたが、それにもかかわらず、彼は確信していました。このような彼の心の状態は次の言葉に反映されています[Croll, 1875, p.13]。"しかし、補償されていないと考えられている一つの効果がある。地球が受ける熱の総量は、その軌道の小さな半長軸に反比例している。 この理由から、eを増加させると、ある程度温暖な気候をもたらす傾向があると結論づけられています。私が言及したこれらの結論は、偏心の直接的な影響に関する限り、天文学者が出した結論はすべて完全に正しいものであり、偏心の単なる増加には氷河を発生させることができるものは何もないと結論づけることは、完全に自然であり、実際に正しいことでした。太陽から受ける熱量の増加が気温を下げて、国(グレートブリテン - V.B.)を雪と氷で覆うことができたと結論づけるのは、何と不自然なことでしょうか! そして、過度に寒い冬と過度に暖かい夏を伴う過度に寒い冬は、氷河期には至らないだろう。したがって、純粋に天文学的な原因がそのような効果をもたらすことができると主張するのはばかげているだろう... しかし、重要な事実が見落とされています。氷河化はeの増加の直接的な結果ではありませんが、eの増加は間接的な結果である可能性があります。偏心の増加は気温を下げ、国全体を氷で覆う直接的な傾向はないかもしれないが、それにもかかわらず、この効果を生み出す物理的な要因が関与している可能性がある」。 物理的要因とは、クロールはフィードバックを意味し、それについて次のように書いている(Croll, 1875, p.74-75)。"物理的な原因に関連して、特別な言及に値する一つの驚くべき状況がある。それらはすべて、雪や氷の蓄積のような同じ結果につながるだけでなく、お互いに影響し合うのである。 結果が原因に作用するのは物理学ではよくあることである。ここでは、明らかに、クロールは、1831年にM.ファラデーによって発見された電磁誘導の現象を参照している - V.B.）。例えば、電気と磁気では、原因と結果は、ほぼすべての場合に、お互いに作用し、反応します。 しかし、通常、常にではないにしても、効果の反応は原因を弱める傾向があります（これが負のフィードバックのしくみです - V.B.）。この反応の弱体化した効果は、原因の効果を制限する傾向があります。しかし、不思議なことに、氷河期気候条件の実施に関連する物理的な原因に関しては、原因と効果は通常、お互いを補強するような形で相互に作用する」。このように、J.クロールは、軌道主導の日射変動の気候影響を増幅させ、その変動を地球規模の気候変動、すなわち氷河や間氷期へと変容させる正のフィードバックの影響を最初に導入したのである。 これは彼の理論の大きな成果であるが、その結果はまだ十分に認識されていない。クロールは、主に2つの正のフィードバックのメカニズムを考えた。1) 気温と積雪面積の関係、2) 気温と海流の変位の関係で、クロールは、ヨーロッパの気候条件に湾流が大きな影響を与えていることを以前に示したことから、第二の氷河の発達のメカニズムを重視していました。彼の理論の本質は次のようなものです。冬至が遠日点に当たる半球では、冬の気温が低下し、太陽放射のパワーが低下して冬の期間が長くなる。この最初の気温の低下とその結果として積雪量の増加は、アルベドを介したフィードバックにより、積雪量の自己膨張を引き起こし、半球の気温をさらに低下させる。 雪と氷の量の増加とアルベドの増加はまた、夏の気温を低下させるので、半球の年間平均気温はますます低下し、主に雪と氷がより多く存在する高緯度地域を犠牲にしています。これは、極と赤道の間の温度勾配の増加を引き起こし、これは大気中の子午線熱輸送を増加させ、その結果、より寒い半球での貿易風を増加させる。(クロールは、北東貿易風と南東貿易風は、赤道と極域の温度差によって引き起こされる極域から赤道への空気の一定の流れに起因していると指摘している)。 雪や氷が少なく気温が均一で高い反対側の半球よりも、高緯度や温帯の緯度が雪や氷で覆われている寒冷圏の方が温度勾配が大きくなるため、寒冷圏の貿易風は暖冷圏の貿易風よりも強力になる。そのため、貿易風の収束線は赤道から暖かい半球に向かって傾くことになります。その結果、貿易風によって駆動される巨大な暖かい海洋赤道域の海流もまた、暖かい半球に偏向され、暖かい半球がさらに熱を獲得し、冷たい半球がさらに冷える原因となります。J.クロールは著書の中で、彼の提案したメカニズムがメキシコ湾流にどのような影響を与えるかを明確に示しています。赤道のすぐ南にあるブラジル沿岸のくさび形の隆起は、彼の説明において重要です。 私達の時代には、（冷たい南極の影響を受けた）南東の貿易風が優勢で、暖かい赤道上の大西洋海流のより強力なギアナ支流がこの隆起の北側を走り、（湾流とアンティル海流を犠牲にして）ヨーロッパを暖める北大西洋海流を形成しています。しかし、北半球が冷えると（北半球の冬至が遠日点に当たるとき）、北東の貿易風が優勢になり、貿易風の中間線と、それに伴ってくさび状の尾根の南側の赤道海流が移動し、暖流が南半球に偏向し、湾流が破壊され、北半球がさらに冷え込むことになるとクロールは述べている。クロールは、提案されたメカニズムを実現するためには、地球の軌道の偏心率が高いことが前提条件であると考えていた。 彼は、高いe値に関連した特に長く寒い冬と、特に大量の雪を伴う冬だけが、気温のさらなる低下につながる正のフィードバックメカニズムを提供すると考えた。クロールはLeverrierの計算式を用いて、1800年以前の300万年分とそれ以降の100万年分の偏心率の変化を計算した。彼の計算によると、偏心率が特に高かったのは、980年前から72万年前と24万年前から8万年前の期間です（図9）。クロールはこれらの時期に氷河の可能性があると考えています。その結果、クロールは、天文学的計算（偏心量変動計算）を用いて古地理的事象の地質学的年代を推定した最初の研究者となりました。クロールによると、地球上の最後の氷河期は約8万年前に終わったという。 このように、クロールの理論によれば、地球上の氷河は、特に偏心率の高い時期に発生したとされています。このような長い時間間隔の間に、約10,500年後の約1万年後の半周期の時間に交互に、それぞれの半球で氷河が発生しました。 同時に、他の半球では、逆に、特に暖かい条件がありました。明らかに、そのような氷河は、地球規模の言葉の完全な意味ではありません。クロールは、偏心率の中間的な値を持つ期間を間氷期として扱い、モレーンの地平線を隔てる堆積物と比較しました。クロールは著書の中で、地球の軸の傾斜角の変化が気候に与える影響について別の章を割いています。 これは、1873年のストックウェルと1904年のピルグリムによる予後と偏心よりも後に、経時的な傾斜角の変化に関する十分に正確なデータが得られたことも理由の一つであった。Croll, 1875; Imbrie, 1982]。それにもかかわらず、クロールは、与えられた軌道要素の変動を考慮することの重要性を認識していました。 彼は著書の第25章の冒頭でこう書いています。"過去の地質学的時代の気候に非常に大きな影響を与えたと私が確信しているもう一つの理由があります。それは黄道の傾きの変化である。この原因は長い間、地質学者や物理学者の注目を集めてきましたが、通常は大きな影響はないという結論になっていました。 しかし、このケースの本質を特別に検討した結果、私は全く逆の結論に達した。何度も言われているように、黄道の傾きの変化が温帯地域の気候に目立った影響を与えないのは事実だが、熱帯緯度の気候にわずかな変化をもたらし、極地の気候、特に極そのものに非常に大きな影響を与えるだろう」。  図９に示すように クロールがレベリエの公式を用いて計算した、私たちの時代の100万年前から8万年後までの地球の軌道の偏心率の変化。図の上段の数字は、50 クロールは、ミーチの計算[Croll, 1875, pp.399, 400]を用いて、地球の軸の傾き（彼と後のミランコヴィッチは「黄道の傾き」と呼んだ）の変化が気候に与える影響を考えた。これらの計算に基づいて、クロールは、地球の軸の傾きが減少すると、雪や氷の被覆量が増加し、すでに議論した正のフィードバックの効果により、初期の冷却が増幅されるため、両半球の高緯度地域では氷河化が有利であることを示しました。これに対応して、増加すると、極域では雪や氷の融解と温暖化が起こるはずです。 クロールが著書の中で批判している研究者の中には、地球の軸の傾きの増加は、逆に高緯度での冷却、例えば極円の緯度の低下をもたらすと考えていた人もいたので、この結果は当時としては珍しくなかったことに注意してください）。地球軸の傾きが変動して、両半球の高緯度の気候条件が単相的に変化することは、クロールの理論で提案されている「偏西風偏西性」氷河のメカニズムの気候的影響を、一方の半球では強め、他方の半球では弱めることになる可能性がある。例えば、遠日点の冬至点が遠日点の角度の最小値と時間的に一致している場合には、問題の半球の冷却が強まり、その時の傾斜角が最大値に近い場合には、冷却が弱まる。クロールはこれが自分の理論を複雑にしていることに気づきましたが、この問題については詳しくは考えていませんでした。 それでもクロールは、地球の軸の傾きの増加に関連したもう一つの現象、つまり極地の雪や氷が溶けて海面が上昇することに注目していました。クロールは、その結論を証明するために、当時入手可能だった様々な地質学的データを駆使したことが重要です。クロールの理論は同時代の人々の間で大きな関心を集めました。特にA.ガイキーは、入手可能な地質学的データ、特に氷河と間氷期を繰り返した事実を説明する上で、この理論の利点を指摘していました。しかし、19世紀末になると、クロールの理論は経験的なデータと著しく矛盾していることが判明しました。アメリカとヨーロッパの科学者たちは、最後の氷河期が終わったのは8万年前ではなく、理論が示唆しているように1万年前であるという結論に達しました。 これがクロールの理論を否定する主な理由でした。理論と実証データの矛盾は、明らかに理論の失敗、その誤りを指し示しています。クロールの理論の主な誤りは何か。M. Milankovic [1939, p. 129]は、この理論の簡単な分析の中で、その主な欠点を次のように定義しています。"クロールの理論には多くの反対意見がある。気候学的な観点から最も説得力があったのは、厳しい冬は氷河の形成を促進しないだけでなく、逆に大きな氷河の形成の障害になるという事実で、例えばシベリアのように厳しい冬を持つ北の大陸地域で観察される。氷河の発生を促進するのは、厳しい冬ではなく、涼しい夏なのです。天文学的観点から見たクロールの理論の極めて重要な欠点は、地球が受ける太陽熱の量に影響を与える3つの天文学的要素、すなわち近日点の経度、地球の軌道の偏心度、黄道の傾きのうち、クロールは最初の2つの変化しか正確に考慮していないということである」。 現在の更新世の氷河に関するデータの観点からクロールの理論の主な欠点を明らかにすると, ミランコビッチの主張の第二部分に概ね同意することができる. しかし, ミランコビッチのように3つの軌道要素の変動に伴って大気の上部境界に到達する太陽熱の量を正確に計算しても, これらの軌道要素の変動が気候に与える影響の問題は解決しないことに注意が必要である. J. クロールの理論の主な欠点は、私の考えでは、氷河は偏心の変化によって調整された偏西風による季節的な日射量のコントラストにのみ起因するというその主な命題の誤りにある。 私の結論は、更新世の氷河が両半球で実質的に同時に起こったという現在知られている事実から導き出されたものですが、これは偏心の最小値、つまりクロールの理論が要求するように、偏心の変化が最大ではなく、偏心の変化が最小になる時期に起こったものです。最後の間氷-氷河期のデータは、このことを特によく示しています。もちろん、このような結論は、現代の科学的知識の観点から、今すぐにでも簡単に出すことができます。19世紀後半、地質学者が堆積岩や噴火岩の配列に記録された地質学的変化のタイミングの大きさに気付き始めたばかりの頃、熱と熱交換の性質の研究に最初のステップを踏み出した頃、惑星海王星がまだ発見されたばかりで、冥王星が発見から半世紀以上も遠ざかっていた頃、クロールの理論は、過去100万年間の惑星の気候条件を決定する天文学的要因と地上的要因の相互作用を理解する上で、大きな一歩を踏み出したのです。彼の研究、特に地球規模の気候変動に関わる正のフィードバック要因を紹介したことは、軌道による日射量の変動が気候に与える影響の強さと地球規模の性質を実質的に決定するという点で、時代を大きくリードしていました。 その証拠として、ミランコビッチの著書[1939, p.130]からの抜粋を引用する。私の考えでは、クロールの本の出版から30年以上経っても、J.クロールのこの基本的な新しい考えは研究者に理解されておらず、考慮されていなかった。"これらの理論（ミランコビッチの前任者であるV.B.の理論）から生じる放射エネルギーの変化は、放射エネルギーの到来における変化があまりにも取るに足らないものであったので、ハーン（1908年）は、氷河期のすべての天文学的理論を否定し、天文学的観点からは、むしろ地球の気候の既知の恒常性について結論を出すことができるという結論に達しました。ハーンのこの意見は、間違いなくあまりにも早計で、氷河期の天文学的理論が当時の理論を参考にしているという点においてのみ、メリットがありました。 このように、ハーンだけでなく、ミランコビッチも、「放射エネルギーの到来による小さな変化」を壮大な気候変動に変換するフィードバックの真の重要性を理解していなかったのです。J. クロールの理論についての考察を締めくくるために、彼の研究の主な成果と思われるものを強調しておこう。 ４６ｐｐ終了 1. J.クロールは、軌道駆動の日射変動だけでは地球規模の気候変動をもたらすことができないことに同意する一方で、そのような変化は、しかしながら、「陸域の物理的エージェント」の追加的な影響を伴って起こりうると結論づけた。彼はまず、日射変動の影響が気候変動の発生に及ぼす影響を増幅させる正のフィードバック要因を紹介し、その作用の具体的なメカニズムを示唆しました。2. 2. クロールは、理論的に計算された最大偏心値の時間間隔と氷河の存在時期を比較して、氷河の年代を推定した最初の人物であり、アストロクロノメトリー法の創始者といえます。3. 3つの軌道要素すべての変動が気候に与える影響の一般的なメカニズムを最初に提案した。 4. 4. クロールは、氷河期の理論は、氷河の存在だけでなく、間氷期の存在も説明しなければならないことを最初に指摘し、氷河の多重性を説明する上で、軌道理論の利点を示した最初の人物である。1.5 M.ミランコヴィッチの理論の要点 J. クロールの後、軌道理論の発展に最も顕著な貢献をしたのは、有名なセルビア人科学者M.ミランコヴィッチであった。彼の思想の影響は非常に強く、1939年にロシア語で出版された彼の最も有名な著作の一つである「気候振動の数学的気候学と天文学的理論」（1939年にロシア語で出版）が出版されてから70年以上が経過した今でも、古気候の軌道理論や天文学的理論といえば、ほぼ普遍的にミランコヴィッチ理論を意味する。アデマール、クロール、ボル、ケルバーウェル、ハーグリーブス、エクホルム、ピルグリムの名前が挙げられている彼の先人たちの著作を分析した結果、ミランコヴィッチ[1939, p. 130]は次のような結論に達した（ロシア語の引用文の綴りと構文は原文と一致している）。 "このように、ここに挙げたすべての理論には共通の欠陥があり、そのどれもが地球が受け取る放射エネルギーの量に影響を与える3つの天文学的要素のすべての変動性を正しく説明することができなかった。... 次に、天球力学の基礎に基づいた気候変動の厳密に科学的な数学的理論が何を提供できるかを見てみましょう。それは、ミランコヴィッチが自分自身に課した課題を定義したものである。すなわち、地球の大気圏の上限に到達する太陽放射の変動（太陽系の他の惑星に到達する太陽放射も同様に）を、3つの軌道要素の変動に関連して数学的に厳密に計算し、これらの計算に基づいて、気候変動の天文学的理論を開発するというものである。 このように、ミランコヴィッチの理論と、過去の地質学的な氷河の存在を説明しようとした他のバージョンの軌道理論との主な違いは、ミランコヴィッチが地球規模の変動と軌道の変動を結びつけたことではなく（多くの人が誤解しているように、ミランコヴィッチは軌道仮説を提唱した最初の人物である）、彼がどのようにしてそれを行ったかということである。(ミランコヴィッチ自身も、彼の先人たちのやや誤解された研究に貢献したかもしれません。なぜなら、「天球力学の基礎は、上で見たように、クロールの理論のような他の著者の軌道理論のバージョンにも当然頼っていた」からです。 後者の理論もまた、日射量の変化の定量的特性を用いており、これは後にミランコビッチが得たものと同様であったが、これほど厳密な根拠はなかった。これもクロールの時代には科学的発展のレベルが低かったという客観的な事情があったことは忘れてはならない。) ミランコビッチは計算において、日射量の2つの主な要因、すなわち太陽からの距離と、問題の地表面への太陽線の入射角度への依存性を考慮に入れていた。 この二つの要因は、もちろん、軌道要素の変化だけでなく、地球の自転や太陽の周りの自転に伴って、その場所の地理的緯度や一日の時間帯、一年の季節の変化によっても変化します。これは、M. Milankovicが1909年からベオグラード大学で理論物理学、力学、天文学の講義を行っていたように、応用数学の教授にとっては時間のかかる作業であったが、解決可能な作業であった[Imbri, Imbri, 1988]。 *** ***翻訳は www.DeepL.com/Translator (無料版) で行います。 ４８ｐｐ終了 ミランコヴィッチは、太陽の輝度が変動するという仮説の存在を念頭に置きながら、太陽が放射するパワーは時間に依存しないと考えており、そのわずかな短周期の変動を無視していることを、彼の研究の冒頭で具体的に述べている。太陽定数（単位時間あたりに地球表面の単位に到達する太陽エネルギーを地球と太陽の平均距離で割ったもの）を1cm2あたり1分間に2カロリーとする。いくつかの天文学的な半年間の日射量の計算の間に、ミランコヴィッチは、1年の間に異なる半球が受信した放射線が既に知られている平等であることを確認した[Milankovic, 1939, p. 33]。 "南半球のどの緯度でも、夏の半年間に北半球の同じ緯度の人が夏の半年間に受ける放射線と同じくらいの量の放射線を受ける；同じことは冬の半年間にも当てはまる。しかし、それぞれの半球の長さが異なるので、例えば夏半球の間にそれらに到達する放射線のパワーは同じではなく（これは太陽からの地球の距離が異なるためです）、温度は、他のものが同じであることが、入射するエネルギーのパワーに依存するので、それらは異なる程度に加熱されるでしょう。夏と冬の天文学的な半年間の期間は時間によって変化するので、ミランコヴィッチは、いわゆるカロリーの半年間を使用することを提案しました。 定義では、これらは「...2つの等しい半年間で、そのうちの1つは、ある緯度での日射量の合計が、他の半年間のすべての日の日射量の合計よりも大きいすべての日をカバーしています。...熱量が最も高い 182.5 日間をカバーする半年間を、我々は熱量夏の半年間と呼び、もう一方の半年間を熱量冬の半年間と呼ぶことにする」[Milankovitch, 1939, p.49]。別々の地理的緯度の下で日射量の半年ごとの変化を計算することによって、Milankovitch は日射量の変化が偏心の変化に直接関係していることを得た（彼が示したように比例している）。 ４９ 下２行残し全部 |