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気候と氷床のシミュレーションから示される退氷期の気候システムの変動 ―北半球氷床と大西洋深層循環を通した急激な気候変化―

2021年11月25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

◆退氷期(寒冷な氷期後、全球的に温暖化した時代)に急激な気候変化(注1)を生じた要因について、大気海洋結合モデル・氷床力学モデルによる過去2つの退氷期のシミュレーションの比較から調べました。
◆地球の軌道要素(注2)が、夏季気温を通して北半球氷床の融解を促進し、大西洋深層循環(注3)を弱く保つことで南半球に熱が蓄積され温暖化をもたらすメカニズムが、過去2つの退氷期に働き、異なる気候応答をもたらしたことを示唆しました。
◆過去の気候変動が、氷床と海洋循環の変動を通して形成されていることを示す結果であり、現在および将来の温暖化によって生じる氷床の融解と環境変動のしくみの理解に貢献するものです。

発表者

小長谷 貴志(東京大学 大気海洋研究所 附属地球表層圏変動研究センター 特任研究員)
阿部  彩子(東京大学 大気海洋研究所 附属地球表層圏変動研究センター 教授)
齋藤  冬樹(海洋研究開発機構 地球環境部門/環境変動予測研究センター 研究員)

発表概要

退氷期は、寒冷な氷期から温暖な間氷期に移行する時期のことを指し、北半球の大陸を覆っていた氷床が後退し全球的な温暖化が生じた時代です。退氷期の気候変化の特徴の1つは、大西洋深層循環の変化を通した急激な気候変化が途中に生じているところにあります。大気海洋の流れの変化を通して、全球的に大きな気候影響を生じます。このような急激な気候変化は直近の退氷期には複数回ありましたが、1つ前の退氷期では1回のみだったことが分かっており、この違いが何によってもたらされたのかが示されていませんでした。

東京大学大気海洋研究所の小長谷貴志特任研究員、阿部彩子教授らは、全球気候モデルを用いて過去2つの退氷期を比較する古気候実験を行いました。その結果、北半球氷床の融解水の量が異なると観測された急激な気候変化の特徴が再現されることが分かりました。これは氷床の融解水が多いと、温暖化が大西洋深層循環を強めようとする働きを阻害するためで、過去2つの退氷期で海水準の上昇速度が異なることと整合する結果です。また北半球氷床の融解には地球の軌道要素の違いが関わることを北半球氷床モデルの古気候実験から示しました。以上の結果は、氷期サイクルを駆動する地球軌道要素が北半球氷床を融解させて大西洋深層循環に作用することを通して、過去2つの退氷期の気候変化の違いの原因となることを示唆します。

発表内容

【研究の背景・先行研究における問題点】
過去の気候がどのように変化したかを明らかにすることは、地球史の謎を解明することと、地球の気候の形成と変動を理解して将来の気候変化への示唆を得ることにつながります。本研究ではそのなかでも氷期から間氷期への遷移期(退氷期)に着目しました。退氷期は、地球の気温が上昇したことに加え、北半球の大陸を覆っていた氷床(注4)が縮小した時代です。直近2回の退氷期では、急激な気候変化に着目したときに違いがみられることが知られています。この急激な気候変化は大西洋深層循環の変化によるもので、大気海洋の流れの変化を通して全球的に大きな気候影響を生じます。最終退氷期(2万年前~1万年前)には3回の急激な気候変化が生じたのですが(図1左側のC、赤線)、それと比べ1つ前の退氷期(14万年前~13万年前)は1度しか生じませんでした。また、南極の気温にも違いがみられ、1つ前の退氷期は最終退氷期に比べて南極の気温の最大値が大きい特徴を持っています(図1左側のD、赤線)。

この2つの退氷期の違いについて、1つ前の退氷期については海水準の上昇速度が速かったことから北半球氷床が速く融解し、大西洋深層循環を弱くさせるメカニズムが提案されていましたが、2つの退氷期の両方に説明を与えた研究がまだありませんでした。

【研究内容】
そこで本研究では、大気海洋結合モデルと、北半球の氷床の形状分布を計算する氷床モデルでそれぞれ退氷期の古気候実験を行いました。本研究の着想には、気候モデルを用いて大西洋深層循環の変動を再現した研究(文献1)と、北半球氷床モデルを用いて氷期サイクルの北半球氷床変動を再現した研究(文献2)が寄与しています。

気候モデルは、大気海洋研究所を含む日本で開発された気候モデルMIROC4mを用いました。退氷期の全球気温上昇は、主に大気中CO2の増加、地球軌道要素の変化、北大西洋への淡水流入による大西洋深層循環(注3)に影響を受けます。現実にはこれらのすべてが2つの退氷期で多少異なるのですが、本研究では淡水の影響を取り出して議論することを容易にするために、淡水のみを変える設定を主として行いました(図1)。その結果、1つ前の退氷期のように淡水流入量が1.5倍程度多いと大西洋深層循環が弱い状態を継続し、急激な気候変化が退氷期の終わりに1度しか起きない結果が得られました(図2C、赤線)。これは、退氷期の後半に大きくなった北半球氷床の融解の重要性を示唆する結果です。

次に、この北半球氷床の融解が何で決まっているかを検討するために北半球氷床モデル実験を行いました。このモデルは、地球の軌道要素と大気中CO2を境界値として、氷床上の降雪量と表面融解量を経て達成される氷床の厚さ分布と流れの時間発展を計算するモデルです。このモデル実験で1つ前の退氷期の氷床縮小速度が速くなる結果はすでに得られていましたが(文献2)、今回の実験ではその要因について掘り下げるために、軌道要素(注2)の中の公転軌道離心率を1つ前の退氷期のものに変更する実験を行いました。その結果、北半球氷床の縮小速度が特に退氷期の後半期に速くなり、標準実験と1.5倍程度の差が生じる結果が得られました。これは、軌道離心率が大きいと退氷期の後半に北半球夏季の日射量と気温が高くなり、氷床の表面融解が促進されるためです(図3)。

以上の全球気候モデルと北半球氷床モデルによる実験を組み合わせて考えると、過去2つの退氷期の地球軌道要素の小さな違いが氷床・大西洋深層循環という気候システムの応答を通して、急激な気候変化、さらには南極の気温の違いを引き起こしたことが示唆されます。

【社会的意義・今後の予定】
本研究で対象とした1つ前の退氷期の直後は最終間氷期(およそ13~11.5万年前)と呼ばれ、南極氷床が縮小したと考えられている時代です。本研究では南極氷床の計算は行いませんでしたが、気候モデルで温暖な気候が出ていることは南極氷床の縮小に寄与することが予想されます。そう考えると、最終間氷期の温暖化はその前の氷期以降の過渡的応答によって形成されていたことを示唆するといえます。このような気候の過渡的応答が役割を持つのは、北半球の氷床後退・大西洋深層循環が比較的長い時間(~数千年)をかけて応答する性質を持つからです。このように、退氷期は気候サブシステムが相互作用することで気候と地球表層環境が変動することを示す好例であるといえます。これは、現在の地球温暖化によって南極とグリーンランドの氷床が融解し海洋に影響が出ているように、現在進行している環境変動にも共通する性質のものです。過去には急激な気温の変化や南極氷床の大規模な縮小を生じたわけですが、社会に大きな影響を与えるこのような環境変動が、将来起きるとすればどのような条件で生じるかを量的に示すための研究を今後進めていきます。

本研究の遂行に当たっては、文部科学省科研費基盤研究(S)「過去の大規模な気候変動における氷床・海洋・大気の相互作用の解明」(代表:阿部彩子)、新学術領域研究「南極氷床・海洋・気候の統合的モデリング」(代表:阿部彩子)、文部科学省二国間交流事業「過去の温暖期の気候と氷床のモデル比較研究」(代表:小長谷貴志)からの助成を受けました。大気海洋結合モデルと北半球氷床モデルによる計算には海洋研究開発機構の地球シミュレータ3を使用し、計算機資源は公募課題「古環境研究および気候将来予測に資する気候数値実験」(代表:阿部彩子)を利用しました。

文献1:Obase T. and Abe-Ouchi A. (2019) Abrupt Bolling-Allerod Warming Simulated under Gradual Forcing of the Last Deglaciation. Geophysical Research Letters, 46, 11397-11405. doi:10.1029/2019GL084675
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2019GL084675このリンクは別ウィンドウで開きます

文献2:Abe-Ouchi A., Saito F., Kawamura K., Raymo M.E., Okuno J., Takahashi K. and Blatter H. (2013) Insolation-driven 100,000-year glacial cycles and hysteresis of ice-sheet volume. Nature, 500, 190-193. doi:10.1038/nature12374.
https://www.nature.com/articles/nature12374このリンクは別ウィンドウで開きます

発表雑誌

雑誌名:「Scientific Reports」(11月25日付)
論文タイトル:Abrupt climate changes in the last two deglaciations simulated with different Northern ice sheet discharge and insolation
著者:Takashi Obase*, Ayako Abe-Ouchi, Fuyuki Saito
DOI番号:10.1038/s41598-021-01651-2
アブストラクトURL:https://www.nature.com/articles/s41598-021-01651-2このリンクは別ウィンドウで開きます

問い合わせ先

東京大学 大気海洋研究所 附属地球表層圏変動研究センター
特任研究員 小長谷 貴志(おばせ たかし)
E-mail:obaseaori.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:急激な気候変化
グリーンランドの氷床コアに残されている急激な温暖化・寒冷化イベントのことを指し、グリーンランドにおいて数十年程度の間に10℃近い気温変化を生じるイベントです。北大西洋子午面海洋深層循環の変化によって生じていると考えられており、氷期に20回以上という頻度で発生したことが分かっています。大気海洋の流れによる熱分配の変化を通して、北大西洋から離れた地域を含め全球的に大きな気候影響を生じます。
※注1の参考資料:2017年のプレスリリース
https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/news/2017/20170209.htmlこのリンクは別ウィンドウで開きます
注2:地球の軌道要素
地球公転軌道の離心率(真円からのずれ)、地軸傾斜、近日点の位置の3要素からなります。これらの3要素が数万年の周期で変動すると地球が緯度ごとに受け取る太陽からの入射量が変動します。特に北半球夏季の日射量変化が北半球の大陸氷床の融解量の変化を通して氷床の拡大と縮小を引き起こすことで、氷期間氷期サイクルが形成されています。
注3:大西洋深層循環(AMOC, Atlantic Meridional Overturning Circulation)
北大西洋域の重い水の沈み込みによって駆動されている大洋をまたぐ全球的な循環です。特に大西洋域では熱量を南から北に運ぶ役割を持っています。地球の大気と海洋の温度はこの熱量の分配によって決まっており、この海洋深層循環が強くなると、北半球にはより多くの熱量が運び込まれるようになります。そうすると、南半球にとっては熱量がより北半球側に流出することになるので、南極域を含む南半球の気温が下がる結果になります。
氷床が融解すると、融解した水は河川を通して最終的には海洋に到達します。このとき、塩分を3.5%含む海水に比べ、氷床の融解水は塩分を含まない淡水のためとても軽いので、海洋の表面付近の海水密度を効率的に低下させる働きを持ちます。北大西洋子午面海洋深層循環は北大西洋域の重い水の沈み込みによって駆動されますから、表面付近の海水密度の低下はこの沈み込みを阻害するように働くので深層循環が弱くなります。
注4:北半球氷床
最終氷期には、北アメリカ大陸とユーラシア大陸の高緯度域は、高さ約3kmの氷床(陸上に降った雪が、長い年月をかけて氷になったもの)に覆われていました。そのため、当時の海水準は現在より130m程度低下していました。最終氷期から現在の間氷期にかけ、北半球高緯度域の夏季が温暖になったことで氷床が解けました。
※参考資料:2013年のプレスリリース
https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/news/2013/20130808.htmlこのリンクは別ウィンドウで開きます

添付資料

図1(論文のFig.1から抜粋):2つの退氷期(赤, 黒)の大気海洋結合モデル実験(右)と地質記録(左)を比較した図(いずれも左から右に向かって時間が経過する)です。AとBがモデル実験設定に対応し、淡水流入量が異なる実験設定であることを示します。CからEがモデル実験の結果に対応し、(C) AMOC(北大西洋子午面海洋循環)の強弱の変動について、赤で示した実験では12.8万年ごろまで弱い状態を継続する特徴を表現しています。(D) (E) の南極気温と全球平均した海水温について、いずれも12.8万年ごろまで温度上昇を続けるという特徴を再現しています。一方、黒で示した実験では、AMOCが強弱を1回振動し、AMOCの強化が海洋の熱輸送を通して南極気温の低下を生じていることが分かります。図の灰色の塗りつぶしで示した時期は、地質記録に基づいたAMOCの強弱の1周期、赤・黒の点線で示した時刻はそれぞれの間氷期の開始時期を示しています。

図2(論文のFig. 2から抜粋):モデルで計算された13.1万年前(131ka)の時刻における(A)北大西洋の海面水温、(B)南極域の海面水温、(C)南極域の地表気温(いずれも、1.3万年前の間氷期初期からの差)を、地質記録による復元値(丸)と比較したもの。地質記録の大勢に見える北大西洋の寒冷な気候、南極域の温暖な気候の特徴がモデルで表現されていることが分かります。

図3(論文Fig.4 から抜粋):氷床モデルによる実験の結果で、北アメリカ大陸を中心にして氷床の表面高度と表面質量収支(降雪量と融解量の差, 単位は単位面積における1年間の氷床の高さ変化に相当)を示した図。左側の標準実験(CTL)に比べ軌道離心率を取り換えた実験(EMOD)では、初期(15ka, 1.5万年前)の違いはまだ小さいが、時刻が進むにつれ, 茶色で示した氷床の融解する領域が広がっています。これは, 強い夏季日射が氷床表面気温を挙げることで, 氷の融解量が大きくなるためです(13ka, 1.3万年前)。11ka(1.1万年前の時刻はおおむね完新世(現在の間氷期)初期に対応する時刻ですが、同じ時刻を比べると氷床存在範囲が標準実験に比べ狭く, 氷床の高さも低くなる結果になります。

プレスリリース