東大など、木星などの影響による更新世前期の地球の気候と氷床量変動を解明

今回の研究では、現代の最新理論に基づく天文学的外力が考慮されており、10万年周期の氷期・間氷期サイクルの再現に成功した実績のある氷床-気候モデル「IcIES-MIROC」が用いられた。シミュレーションの結果、約160～120万年前に見られる4万年周期の氷期・間氷期サイクルの地質記録データをよく再現できたという。

また、計算結果を詳しく分析することで、以下の事柄が示唆されたともする。

氷期・間氷期サイクルの周期が、4万年になるか10万年になるかは天文学的要因のわずかな違い、つまり地球の自転軸の傾きと公転軌道の楕円の程度の変動幅の違いが決める可能性がある
氷期から間氷期へ移り変わるタイミングは、気候歳差(公転軌道上の夏至の位置)の影響で決まる
自転軸の傾きと気候歳差の変化のタイミングの前後関係により、間氷期の継続期間が決まる

今回の結果について研究チームは、海底堆積物コアに含まれる底生有孔虫の殻の酸素同位体比に記録された約160～120万年前の氷床量変動をよく再現したと説明するほか、4万年周期の気候変動の幅は、大気中のCO₂濃度にほぼ依存していなかったことから、現代の10万年周期の氷期・間氷期サイクルと比べ、更新世前期には大気中のCO₂が果たす役割がずっと小さかったことを意味するとしている。また、当時の氷期における氷床の分布範囲に関して、自転軸の傾きと気候歳差の変化のタイミングや公転軌道の楕円の度合いの条件が重なると、北米にある氷床がわずか1万年ほどで現在のカナダの大部分を覆うほどの面積に達することも明らかになったとする。

更新世における北半球の高緯度の夏の日射量変動(1平方m当たりワット)と、底生有孔虫の殻の酸素同位体比(‰)に記録された氷期・間氷期サイクル (c)渡辺泰士他 (出所:NAOJ Webサイト)

(上)更新世の底生有孔虫の殻の酸素同位体比データと今回の研究による北米・ユーラシアの氷床量変動のシミュレーション結果。酸素同位体比のグラフの黒と紫線は2種類の観測データセット。シミュレーションのグラフは、大気中の二酸化炭素濃度を一定とした場合(黒線)と、それを変化させる条件を使った場合(赤線と青線。大気中の二酸化炭素濃度は地質学的な記録からある程度まで復元できる)。(下)この期間の典型的な氷期氷床分布、および最大の氷期氷床分布 (c)渡辺泰士他 (出所:NAOJ Webサイト)

研究チームでは、今回の重要な結果の1つとして、公転軌道の離心率の変化幅、または自転軸の傾きの変化幅が小さくなると、現代のような10万年周期の氷期・間氷期サイクルが出現しやすくなるという点を挙げており、シミュレーション結果の氷床量変動と気候歳差および自転軸の傾きの変化のタイミングについての解析を行うことで、更新世前期では気候歳差による日射の極大を迎えるタイミングで急速に氷床が後退を開始することが確認されたとしている。

また、自転軸の傾きと気候歳差によって、どちらが先に日射の極大を迎えるかが氷期と間氷期の長さを決める要因であることも判明したという。自転軸の傾きが気候歳差より先に日射の極大をもたらす場合には、間氷期が短く、氷期が長くなるのに対して自転軸の傾きが気候歳差に遅れて日射の極大をもたらす場合には間氷期が長く、氷期が短くなる。この結果、更新世初期の4万年周期の氷期・間氷期サイクルは、自転軸の傾きと気候歳差の変化のタイミングの前後関係により、間氷期が長い場合、中間的な長さの場合、短い場合、の3種類に分類できることが示されたという。

(左・上段)天文学的要因((a)気候歳差と(b)自転軸の傾き)の日射に対する効果のイメージ。(左・下段)更新世前期(約160～120万年前)の天文学的要因の北半球高緯度の夏至の日射に対する効果の時間変化と、更新世前期に発生し、シミュレーションにより再現された合計8回の間氷期の開始・終了のタイミング。虹色で描かれた8本の横棒の左端が各間氷期の開始のタイミング、右端が終了のタイミング。(右)(c・d・e)天文学的要因の前後関係と間氷期の長さの関係性を表す模式図。その関係性に基づいて3通りに分類される。黒は氷期・間氷期サイクルの氷床量、青は気候歳差の日射への効果、赤は自転軸の傾きの日射への効果 (c)渡辺泰士他 (出所:NAOJ Webサイト)