南大洋が鍵を握る氷期の大気中二酸化炭素濃度変化

2021年8月26日

東京大学 大気海洋研究所
海洋研究開発機構

発表のポイント

◆約2万年前の最終氷期最盛期における大気中二酸化炭素濃度を、海洋炭素循環モデルシミュレーションにより再現することに成功しました。
◆氷期の南大洋における塩分成層の強化と表層海洋の鉄肥沃化が炭酸塩補償を増幅し、海洋への炭素貯留の増加に大きく寄与することを明らかにしました。
◆最終氷期最盛期における大気中二酸化炭素濃度を再現するうえで南大洋が重要となることを明らかにし、氷期?間氷期スケールの海洋炭素循環の変動メカニズムの理解に貢献しました。

発表者

小林 英貴（東京大学 大気海洋研究所 特任研究員）
岡 顕（東京大学 大気海洋研究所 准教授）
阿部 彩子（東京大学 大気海洋研究所 教授）
山本 彬友（海洋研究開発機構 地球環境部門 特任研究員）

発表概要

地球の大気中二酸化酸素濃度は、現在400ppmを超え、産業革命前の280ppmから大きく上昇しています。一方、約2万年前の最終氷期最盛期（注1）には190ppmと低かったことが、氷床コア記録から明らかにされています。この大気中二酸化炭素濃度の低下は、大気から深海に炭素が貯蔵されたことで生じたと考えられており、また世界中の古海洋掘削データは、当時の海洋環境を記録した化学トレーサー（注2）の分布を明らかにしつつあります。しかし、その大気中二酸化炭素濃度の低下の仕組みや化学トレーサーの示す海洋物質循環の全体像の詳細はよくわかっておらず、３次元の海洋モデルを用いた氷期の変化の再現も困難でした。東京大学大気海洋研究所の小林英貴研究員、岡顕准教授らは、海洋研究開発機構の山本彬友研究員と協力し、海洋炭素循環モデルを用いた数値実験で、氷床コア記録と整合した大気中二酸化炭素濃度の変化の再現に成功しました。今回の実験では、氷期の南大洋における強い塩分成層と氷河性ダスト起源の鉄肥沃化（注3）の効果を適切に考慮すると、化学トレーサーの分布をうまく再現できることもわかりました。成層の強化は深海に炭素を隔離し、鉄肥沃化で炭素は効率的に下向きに輸送されるため、どちらも深海の全炭酸濃度を上昇させます。それは、炭酸塩堆積物の溶解とそれに続く海洋全体のアルカリ度（注4）の増加（炭酸塩補償; 注5）により増幅され、大気中二酸化炭素濃度の低下に大きく貢献することを明らかにしました。

発表内容

(1) 研究の背景・先行研究における問題点
第四紀（注6）の更新世において、地球の気候は寒冷な氷期と温暖な間氷期を交互に繰り返しており、大気中の二酸化炭素濃度も周期的に変動していました。氷床コア記録から、約2万年前の最終氷期最盛期における大気中二酸化炭素濃度は、産業革命前の現代を含む間氷期と比べて90ppm程度低いことが明らかにされています。氷期は現代と比べて寒冷で乾燥した気候で、植生等の縮小に伴い陸域の炭素貯留は減少していたと推測されています。そのため、海洋炭素循環を構成する、海面の二酸化炭素濃度の溶解過程（注7）、表層海洋の生物過程（注8）、海洋深層循環（注9）、炭酸塩補償などの変化が組み合わさることで、大気中二酸化炭素濃度が低下したと認識されています。しかしながら、海洋炭素循環過程を組み込んだ従来の3次元海洋モデル研究では、大気中二酸化炭素濃度低下の振幅を十分に再現することが困難で、変動に対するそれぞれの過程の寄与についても、明確な答えは出ていませんでした。

(2) 研究内容（具体的な手法など詳細）
本研究では、地球温暖化予測にも使用される気候モデル（MIROC）の海洋部分を構成する海洋大循環モデル（COCO）に、炭素循環モデルと自ら作成した海洋堆積物モデルを結合したモデルを用いて、最終氷期最盛期と産業革命前の現代についての数値モデル実験を行いました。古海洋環境復元研究から、最終氷期最盛期の南大洋の深層水が、高い塩分および古い水塊年代（低い放射性炭素の自然存在量; 注10）で特徴づけられることや、南アメリカ大陸のパタゴニアから南大洋への氷河性ダストの供給の増加が、鉄肥沃化をもたらしていたことが指摘されています。本研究では、これら南大洋の環境変化に着目した感度実験も行いました。
まず、従来のモデル実験と同様な設定で実施した最終氷期最盛期の再現実験では、大気中二酸化炭素濃度の低下幅は40ppm弱と、実際の変化量を十分には再現できませんでした（図2の氷期標準実験）。一方、南大洋の塩分成層の強化と氷河性ダスト起源の鉄肥沃化の効果を考慮した実験では、海洋深層の炭素貯留が現代実験から顕著に増加しました。炭酸塩補償を含めると、氷期の海洋炭素循環の変化による大気中二酸化炭素濃度の変化はおよそ77ppmであり、既往研究と比べても最も現実的に氷床コア記録が示す変動（約90ppm）を再現することができました（図1; 図2の氷期改良実験）。
さらに、大気中二酸化炭素濃度の変化に対する諸過程の寄与を切り分けて調べました。塩分成層の強化で、海洋表層と深層との炭素の交換が減少し、深層に炭素が隔離されます。また、鉄肥沃化で亜南極域において植物プランクトンの生物生産が増えることで、より多くの炭素が深層に輸送されます。これらは、どちらも氷期に海洋深層の全炭酸濃度を上げる、つまり大気中二酸化炭素濃度を下げる方向にはたらきました。さらに、深層の全炭酸濃度が上がると、海底炭酸塩堆積物の溶解が促進されます。これは、海洋炭酸系の均衡を変えることで、海洋全体のアルカリ度を上昇させます。アルカリ度の上昇で、海洋はさらに二酸化炭素を吸収できるため、最終的に大気中二酸化炭素濃度が大きく低下しました。この炭酸塩補償と呼ばれる炭酸塩堆積物フィードバックは、南大洋の成層強化と鉄肥沃化を考慮すると、増幅されることもわかりました（図2）。
本研究では、海洋炭素循環にかかわる性質の異なる化学トレーサーである、溶存酸素、安定炭素同位体比（δ¹³C）、¹⁴C年代もモデルで計算しました。海底堆積物コア記録から復元された、貧酸素、軽いδ¹³C、古い¹⁴C年代で特徴づけられる南大洋深層の分布は、塩分成層の強化と鉄肥沃化の効果を適切に考慮することで、従来のモデル計算に比べて現実的に再現できることがわかりました。この結果は、今回のモデル実験が再現した海洋炭素循環場の妥当性を支持しています（図3）。

(3) 社会的意義・今後の予定 など
近年、人為起源二酸化炭素の排出に起因して、大気中二酸化酸素濃度が上昇しています。一方で、氷期?間氷期における大気中二酸化炭素濃度の変動は、自然の変動により生じていました。過去の気候変動の仕組みを調べ、その根底にある普遍的な仕組みを理解することは、将来の気候変動に対するより確かな知見につながるという意味でも重要です。本研究により、最終氷期最盛期において、南大洋の環境変化に伴う海洋炭素循環の変化が、海洋深層の炭素貯留を増やし、大気中二酸化炭素濃度の低下に大きく寄与しうることがわかりました。このような海洋深層を含む変化は、数千年以上の長い時間スケールの気候変動を考える上で重要です。今回の実験は、すべてのプロセスが十分に長い時間をかけて応答した結果を再現する定常計算を行いましたが、実際に重要となるプロセスは時間スケールにより変わります。今後は、氷期から現在にかけての気候遷移期における炭素循環の再現実験など、時間スケールに応じた海洋炭素循環の過渡応答を評価する研究を進めていく予定で、気候変動と炭素循環との関わりについてのさらなる理解につなげていきたいと考えています。

発表雑誌

雑誌名：「Science Advances」（8月25日付）
論文タイトル：Glacial carbon cycle changes by Southern Ocean processes with sedimentary amplification
著者： Hidetaka Kobayashi*, Akira Oka, Akitomo Yamamoto, Ayako Abe-Ouchi
DOI番号：10.1126/sciadv.abg7723

問い合わせ先

東京大学 大気海洋研究所 気候システム研究系
特任研究員 小林 英貴（こばやし ひでたか）
E-mail：hidekoba◎aori.u-tokyo.ac.jp

東京大学 大気海洋研究所 気候システム研究系
准教授 岡 顕（おか あきら）
E-mail：akira◎aori.u-tokyo.ac.jp

※アドレスの「◎」は「@」に変換してください

用語解説

注1：最終氷期最盛期（Last Glacial Maximum: LGM）

更新世後期の現代に直近の氷期の最盛期で、約2万1000年前に相当します。南極大陸やグリーンランドだけでなく、北アメリカ大陸やスカンジナビア半島などにも氷床が発達し、氷床量の増加により、現代と比べて海水準がおよそ130m低下していたと考えられています。

注2：化学トレーサー

海水に溶けた化学物質の濃度は、海洋の流れや混合、大気と海洋とのガス交換、生物による影響などを受けて変化します。また、流体の動きを追跡するために使われる特性は、トレーサーと呼ばれます。溶存化学物質やその同位体指標をトレーサーとして利用し、その分布を調べることは、海洋で何が起こったのかを理解するための手がかりとなります。

注3：鉄肥沃化

現代の南大洋は表層海洋で栄養塩が豊富であるにもかかわらず、植物プランクトンがもつクロロフィル量が低い海域として知られています。その要因として、海水中の溶存鉄の不足が挙げられています。一方で氷期は、間氷期に比べて寒冷で乾燥した気候であり、観測的知見から風送ダストの沈着量が増えていたことが明らかになっています。海面におけるダスト起源の鉄供給の増加で、植物プランクトンが現代に比べて増殖していた可能性が考えられています。

注4：アルカリ度

海水の酸緩衝能を示す指標で、海水の単位質量あたりのプロトン供与体に対するプロトン受容体の過剰量に相当する水素イオンのモル数で定義されます。海洋炭酸系の状態を示す重要なパラメータの一つです。炭酸系の他のパラメータが一定の条件下で、アルカリ度が上昇すると、海水の二酸化炭素分圧は低下します。

注5：炭酸塩補償

海水中を沈降し、溶解することなく海底に到達した炭酸塩粒子は、堆積物中の間隙水における炭酸塩の飽和度に依存して溶解し、一部は堆積物として埋没し、地質学的スケールで地球を循環します。炭酸塩堆積物の埋没はアルカリ度の除去源となりますが、それは1万年以上の時間スケールで、岩石風化起源のアルカリ度の供給との均衡が保たれています。何らかの要因でそれらの均衡が崩れると、それらの均衡を保つ方向に海洋炭酸系が変化し、海洋全体のアルカリ度が変化します。

注6：第四紀

地質時代区分の一つで、現在を含む最も新しい時代です。およそ258万年前から1万1700年前の更新世と、それ以降の現在までの完新世に大きく区分されます。南北両半球に大陸氷床が形成され、寒冷な氷期と温暖な間氷期が交互に繰り返す「氷期-間氷期サイクル」と呼ばれる気候変動で特徴づけられます。

注7：二酸化炭素濃度の海水への溶解

大気と海洋との間では、二酸化炭素のガス交換が生じ、海水中に溶けた二酸化炭素は、水和した二酸化炭素、炭酸、炭酸水素イオン、炭酸イオンの4つの異なる形態で存在しています（これらの炭酸物質の総和が全炭酸濃度です）。海水における二酸化炭素の溶解度は、温度が高くなるほど小さくなります。

注8：表層海洋の生物過程

表層海洋において、植物プランクトンは、栄養塩と光を利用した光合成により、有機物を生成します。生成された有機物の一部は、死がいや排泄物として沈降し、海洋表層から深層へと下向きに輸送されます。また、生物の中には石灰質や珪質の殻を形成するものもあり、それらを介した物質の鉛直輸送も生じます。これらは総称して「生物ポンプ」と呼ばれます。

注9：海洋深層循環

1000年の時間スケールで全地球海洋を巡る海洋循環で、海水の水温と塩分による密度差による循環です。現在の海洋では、重い深層水が北大西洋と南極大陸周辺の2箇所で形成されて沈み込み、全球海洋にわたって底層を広がり、流れていくうちに軽くなって湧き上がり、再び表層へと戻ってきます。

注10：放射性炭素の自然存在量（Δ¹⁴C）

炭素14は、半減期が約5730年である炭素の放射性同位体です。宇宙線の影響により大気中で生成され、大気から離れると壊変して減少します。放射性炭素の自然存在量（Δ¹⁴C）は、炭素12に対する炭素14の割合を、炭素13の割合を用いて補正した値です。炭素14は、海水中で半減期に従って減少していくことから、海水のΔ¹⁴Cとその海水が海面にあったときのΔ¹⁴Cとの差が、水塊の年代を示す指標となります。

添付資料

図1. 本研究で検討した現代（Modern）および最終氷期最盛期（LGM）における深層海洋循環、南大洋の海氷の範囲（sea ice）、風送ダスト沈着量（aeolian dust）、生物生産（biological production）、リソクライン（lysocline: 炭酸塩堆積物が急激に溶解し始める深度）の違いを示す模式図。大西洋子午面循環は、大西洋表層を北上して北大西洋深層水（NADW: North Atlantic Deep Water）が深層に沈み込む上部セルと、南極大陸周辺で南極底層水（AABW: Antarctic Bottom Water）が沈み込む下部セルで構成されます。堆積物コア記録から、氷期には現代を含む間氷期に比べて上部セルが浅くなっていたことが示唆されています。氷期の南大洋においては、海氷の張り出しの拡大と、深層の高塩化が生じており、海氷生成の増加とそれに伴う高塩分水（ブライン）排出が関連していると考えられます。また、氷河性を含む風送ダスト沈着量の増加は、海面に鉄を供給することで、植物プランクトンの生産性を向上させていたと考えられます。海洋深層の全炭酸濃度が増加することで炭酸塩の飽和度が低下し、炭酸塩堆積物が溶解する深度が浅くなります。

 

図2. 本研究で見積もった、現代と氷期との間の大気中二酸化炭素濃度の変化に対する諸過程の寄与。最終氷期最盛期（LGM）の気候下で検討したすべての過程を含む氷期改良実験における変化（橙色）は、氷床コア記録（黄色）をおおよそ再現しています。従来の氷期実験の結果（灰色）と、南大洋の塩分成層の強化（青色）、氷河性ダストによる鉄肥沃化（緑色）、炭酸塩補償（茶色）の寄与を切り分けた結果を同時に示しています。（発表論文の図1より）

 

図3. 溶存酸素（mmol m^-3）、δ¹³C (‰)、¹⁴C年代 (¹⁴C年)について、本研究で検討したすべての過程を含む氷期実験と現代実験との変化を、大西洋と太平洋で東西平均した鉛直断面図。海底堆積物コア記録から復元された変化とともに示しています。（発表論文の図2から4より）