氷期から間氷期への遷移期の温暖化によって生じた急激な気候の変化

2019年11月1日

小長谷貴志（東京大学大気海洋研究所　特任研究員）
阿部彩子（東京大学大気海洋研究所　教授）

発表のポイント

◆1万5千年前の氷期―間氷期遷移期の急激な気候変化を古気候データと整合的に気候モデルで再現しました。
◆氷期―間氷期遷移期のゆっくりとした温暖化が、海洋深層循環（注1）の急激な強化をもたらすことを示しました。
◆大気、海洋、氷床といったサブシステム間の相互作用によって氷期―間氷期遷移期の気候変化が形成されているという、気候システムの性質理解に貢献しました。

発表概要

東京大学大気海洋研究所の小長谷貴志研究員らは、気候モデルによるシミュレーションを用いて、およそ1万5千年前の氷期―間氷期遷移期に生じた急激な気候変化メカニズムを調べました。この頃グリーンランドで数十年のうちに10℃以上の気温変化が生じたことがわかっており、海洋深層循環の強化によるものと考えられています。従来の研究では、海洋深層循環の強化の原因を北半球氷床の融解が止まることに求めていましたが、氷期から間氷期にかけての海水準上昇の記録や、モデルから示唆される北半球氷床融解史と整合しないという問題点がありました。本研究では、氷期から間氷期にかけて生じたゆっくりとした温暖化によって、北半球氷床の融解水（注2）の流入が止まらずとも海洋深層循環の急激な強化が生じることを示しました（図1）。その変化の原因は、氷期から間氷期にかけて海洋が全球的に温められることで北大西洋の海洋密度成層がゆっくりと十分に変化すると海洋深層循環が急激に強化することにあることが示唆されました（図2）。本研究の結果は、大気海洋、氷床、炭素循環といったサブシステム間の相互作用によって氷期―間氷期遷移期の気候変化が形成されていることを示唆するもので、気候システムの性質理解に貢献するものです。

発表内容

【研究の背景】気候の変化は、地球の自然環境の変化を通して人間社会に影響を与えます。その変化が大きくかつ急激であれば、与える影響はいっそう大きくなります。過去にさかのぼると、地球の気候は現在と大きく異なる時代があったことが知られています。そのため、地球の気候がどのように成り立っており、過去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、将来の気候変化への示唆を得ることにつながります。

本研究で対象とした2万年前～1万年前の時代は、最終氷期の最盛期から現在の間氷期にかけての気候遷移期にあたります。氷期から間氷期への遷移は、地球の軌道要素が変化することで、1万年かけて北半球を覆っていた氷床が融解することによって生じました（文献1）。その半ばであるおよそ1万5千年前、グリーンランドの気温が50年という短い期間に10℃以上気温が上昇しました。これは、氷期と間氷期の気温差の半分以上に相当する温度変化が短い時間で起きたことを意味しています。気温の上昇幅は場所によって異なりますが、日本を含む離れた地域でも、同時期に温暖化したことが知られています。この急激な気候変化は、北大西洋の深層循環が急激に強くなったことで生じたと考えられています。しかし、当時は北半球を覆っていた氷床の融解期にあたり、融解水が河川を通して北大西洋に流入すると、逆に深層循環を弱めるようにはたらきます。そのため、なぜこのような海洋深層循環の変化が氷期から間氷期への遷移期の半ばに生じたのかが説明できていませんでした。

【研究内容】そこで本研究では、地球温暖化予測に使用された気候モデル（MIROC）を用いて、最終氷期から現在の間氷期にかけての地球の大気・海洋の流れと温度分布を計算しました。その中で、氷期から間氷期への遷移期の半ばに急激な海洋深層循環の変化が生じる条件とそのメカニズムを調べました。このような着想に至ったのは,これまでのMIROCを用いた研究から,氷期の北大西洋深層循環は現在に比べて弱く、それは主として大気中CO₂濃度が低いことによることが示されていたことにあります（文献2）。このため最終氷期から現在の間氷期にかけての大気中CO₂の上昇によって、海洋深層循環の変化がどこかで生じることが予想されました。

実験の結果、氷期から間氷期にかけて北大西洋への氷床融解水が継続的に流入しても、急激な海洋深層循環の強化が生じることが示されました（図1）。このときの氷床融解水は、海水準復元とも整合する現実的な量で十分であることがわかりました。海洋深層循環の強化によって南北間の熱分配が変わることによって、南極域では北半球とは反対に寒冷化することも説明できました。

次に、モデルで計算された大気・海洋の流れと温度分布から、海洋深層循環の強化を生じたメカニズムを調べました。この海洋深層循環強化の後では北大西洋の冬季海氷縁が後退しています（図3）。この海氷の後退によって海面が効率的に冷却されるようになるので、海洋深層循環が強化されます（文献3）。海洋の中の温度分布をみると、この海洋深層循環が強化する以前、海洋が深層まで暖まっています（図2）。深さ3000m以深の深層では、塩分と密度が低下しています。海洋深層の密度が海面に比べ大きいという鉛直成層によって弱い北大西洋深層循環が維持されているのですが、氷期から間氷期にかけてのゆっくりとした温暖化でこの成層が弱くなり、海洋深層循環の強化を生じたと解釈されます。

【社会的意義と今後の計画】
氷期から間氷期にかけて、長い時間をかけてゆっくりと生じた温暖化が、氷期から間氷期の半ばで生じた急激な気候変化を生じさせることが分かりました。氷期サイクルの要因に対する氷床変動に関する数値シミュレーション研究（文献1）と合わせて、このような氷期から間氷期への気候変化過程において生じた現象は、氷床や大気中CO₂を決める物質循環といった、気候システムどうしの相互作用の結果として形成されていることを明確に示す結果です。

今後は、氷床融解への影響など、氷期―間氷期の気候遷移期におけるメカニズムを調べ、現在の気候システムの成り立ちと将来の温暖化に対する応答を理解することにつなげていきます。

文献1: Abe-Ouchi, A., F. Saito, K. Kawamura, M. Raymo, J. Okuno, K. Takahashi and H. Blatter (2013): Insolation driven 100,000-year glacial cycles and hysteresis of ice sheet volume. Nature, 500,190-193, doi:10.1038/nature12374.
（過去にプレスリリース有 https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/news/2013/20130808.html）
文献2: Kawamura, K. et al. (2017), State dependence of climatic instability over the past 720,000 year from Antarctic ice cores and climate modeling, Science Advances, 3(2), doi:10.1126/sciadv.1600446
（過去にプレスリリース有 https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/news/2017/20170209.html）
文献3: Sherriff-Tadano, S., A. Abe Ouchi, M. Yoshimori, A. Oka and W. Chan (2018), Influence of glacial ice sheets on the Atlantic meridional overturning circulation through surface wind change, Climate Dynamics, 1 23, doi:10.1007/s00382-017-3780-0.

発表雑誌

雑誌名：「Geophysical Research Letters」（オンライン版：2019年10月10日）
論文タイトル：Abrupt Bolling-Allerod warming simulated under gradual forcing of the last deglaciation
著者：Obase Takashi*, Abe-Ouchi Ayako
DOI番号：doi: 10.1029/2019GL084675
アブストラクトURL：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019GL084675
謝辞：
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」および新学術領域研究「南極氷床・海洋・気候の統合的モデリング」（いずれも代表 阿部彩子）からの助成を受けました。モデル計算のための地球シミュレータ3の使用にあたり、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。

問い合わせ先

東京大学大気海洋研究所　地球表層圏変動研究センター
小長谷　貴志（おばせ　たかし）
E-mail：obase◎aori.u-tokyo.ac.jp　　　　※「◎」は「@」に変換して下さい

用語解説

注1：海洋深層循環

北大西洋で沈み込む、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いるのですが、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って気温が上がり、逆に南半球では熱量が失われることで気温が下がるという結果になります。
（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 ）

注2：氷床の融解水

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て、生じた淡水が海洋に流入して海水準が徐々に上昇していきました。この水は塩分を含まず密度が小さいために、北大西洋域に流入すると海面の海水密度を下げ、海洋深層循環を弱くしようとする働きをもちます。
（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）

添付資料

図1　気候モデルによる計算結果（赤線）を、地質記録に基づく気候復元と比較した図。黒線で示されているように、およそ1万5千年前の時期（青色背景と赤色背景の境界）に海洋深層循環が強化され、グリーンランドの気温が上昇していますが、赤線で示されたモデルの結果はそれを再現しています。また南極のアイスコアから、赤色背景で示されたおよそ2000年間、温暖化が停滞しているという特徴も再現していることが分かります。（発表論文の図1より）

図2　海洋深層循環の強化が生じる前後での、北大西洋の海洋の様子を示した図。（上段）北大西洋域の冬季海氷分布と、海水の沈み込みを示す混合層深度分布。海洋深層循環強化前の1.5万年前は中緯度域まで海氷が張り出していますが、海洋深層循環強化後の1.47万年前には海氷範囲が北上し、海水の沈み込みが活発に起きていることが分かります。（下段）北大西洋の緯度―水深断面図で、海洋の流れの様子を示した図で、図中黒矢印で記入されているように、流線関数が正の値を時計回りに南北・鉛直方向の流れが存在することを読み取ります。深層循環強化後はこの時計回りの深層循環の流量が大きく、沈み込みが達する水深も深くなっていることが分かります。（発表論文の図2より）

図3　氷期から、海洋深層循環の強化が生じるまで6000年間の大西洋の海洋水温・塩分・密度の変化を緯度―水深断面で示した図です。氷期以降の温暖化によって、北大西洋の海洋は温められています（上段）。塩分を見ると、図の左で示された南極域から北大西洋域の深層およそ3000m以深の深層で塩分が低下していることがわかります（中段）。水温上昇と塩分低下はいずれも海水密度の減少、北大西洋域の深層の密度も低下するという結果になります（下段）。これは、弱い海洋深層循環を維持するための強い密度成層が徐々に弱くなっていることを示しています。（発表論文の図3より）