古代のマグマ洪水が地球温暖化の手がかりとなる

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およそ6000万年前、地球深部の循環変化によって、高温の岩石流（アイスランド・プルーム）が発生し、地球のマントル中心部から上昇しました。マントルの岩石が北大西洋の海底を貫いた際、溶岩がスコットランド、アイルランド、グリーンランドに噴出し、北アイルランドのジャイアンツ・コーズウェイやスコットランドのフィンガル洞窟といった壮大な柱状地形を形成しました。

この最初の一斉射撃の400万年後、再び巨大な高温のマントル岩石の噴出が起こり、再びアイスランドのプルームに押し上げられました。この噴出は海底下で隆起し、グリーンランドとヨーロッパの間の広い海底を空中に持ち上げ、スコットランドとグリーンランドを結ぶ一時的な陸橋を形成しました。

海面下では、マントル塊が融解し、固体の岩石から流動性のマグマへと変化しました。マグマは痣のように堆積物を貫流しました。マグマが広がるにつれて、数千もの水平の層（シル）が形成され、堆積物中の有機物が加熱されました。この加熱によってメタンと二酸化炭素が発生し、海底の噴気孔から噴出しました。数千年にわたり、マグマの層が次々と拡大する痣へと流れ込むにつれ、沸騰する鍋のように海からますます多くのガスが湧き出しました。

証拠によれば、これらの火成活動と疑わしいほど近い時期に、地球は摂氏5度（華氏9度）温暖化した。暁新世-始新世温暖極大期（PETM）として知られるこの古代の温暖化現象では、陸上では激しい豪雨に見舞われ、海洋の酸性化と熱により多くの海洋生物が絶滅した。多くの陸生動物も絶滅し、小型種に取って代わられた。北極にはワニ、ゾウガメ、そして今日のフロリダに典型的な植物が生い茂り、海面は現在よりも約90メートル高かった。

PETMは1990年代初頭の発見以来、気候科学者の関心を惹きつけてきました。気温の急上昇、海洋酸性化、大気中の炭素濃度の劇的な変化、そして生命への甚大な影響など、今日の気候変動との類似点が指摘されているからです。これらの影響を生み出すには、膨大な量の炭素（最近の推定では約10兆トン）が大気中に放出されたに違いありません。しかし、その炭素貯蔵庫とは何だったのでしょうか？なぜこれほど急速に放出できたのでしょうか？そして、同様の炭素貯蔵庫が、現在の温暖化を加速させる可能性はあるのでしょうか？

「過去一億年で私たちが経験した最も近い類似例を理解できれば、私たちが生きている間に何が起こるのかをよりよく考えられるようになるだろう」と英国バーミンガム大学の地質学者スティーブン・ジョーンズ氏は語った。

科学者たちが総称して「北大西洋火成岩地域」と呼ぶ北大西洋の火山性地形の多くは、PETMと同時期に形成されたため、温暖化の原因候補の一つとなっています。しかし、偶然の一致は因果関係とは限らず、火山活動が気候変動を引き起こした可能性を疑う十分な科学的根拠が存在してきました。最近、ジョーンズ氏とバーミンガムの共同研究者らによる論文が発表され、最後の大きな疑問が払拭され、火成岩活動が実際に温暖化の主な要因であることが示されました。

間違った種類の炭素

北大西洋の火山活動の多くはPETMとほぼ同時期に発生したにもかかわらず、科学者たちは当初、それが温暖化の原因となった可能性に懐疑的でした。当時形成された堆積層には、炭素同位体である炭素12が豊富に含まれており、火山起源ではなく有機炭素源を示唆していました。有力な説は、地球の太陽周回軌道の変動によって、海底直下のメタンクラスレートと呼ばれる一種の凍結メタンが融解したというものでした。しかし、PETM以前の世界に十分な数のクラスレートが存在していた、あるいはそれらが温暖化を引き起こすほどの速さで融解したという証拠は、科学者たちにほとんど見つかりませんでした。

北大西洋火成岩区と有機炭素の間には、これまで知られていなかったミッシングリンクが存在する可能性が、2004年にノルウェー沖の海底地震探査で確認されました。オスロ大学のヘンリック・スベンセン氏らは、石油探査船による爆風の記録されたエコーを分析した結果、PETMの時期に形成されたシルから上方に伸びる噴出口を発見しました。

彼らは、これらの噴出孔は炭素12を豊富に含む有機堆積物を高温の岩床が加熱することで生じたと推論した。これによりメタンと二酸化炭素が発生し、これらのガスが海底と海洋を貫いて大気圏に噴出し、PETMを引き起こしたと考えられる。その後、大西洋の両岸でさらに多くの噴出孔が発見され、そのうちの1つからサンプルが掘削された。シベリアと南アフリカの同様の噴出孔は、地球の歴史における異なる時期、それぞれペルム紀とジュラ紀の地球温暖化と関連付けられている。

それでも、火成活動が十分に速く作用すると考える人はほとんどいませんでした。地質学者たちは、岩床は数百万年かけて形成されたと考えていましたが、化石堆積物はPETMの始まりにわずか数千年しかかからなかったことを示しています。

バーミンガムの研究チームはそのギャップを埋めました。アイスランドのプルームについては、ジョーンズ氏の言葉を借りれば、「5000年から1万年で蛇口をひねって開けることができる」ことを発見しました。

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アイスランド近郊のV字型の溶岩尾根に関する以前の研究で、ジョーンズ氏は、高温のマントルの脈動がアイスランドのプルームを周期的に上昇し、隣接するプレートを押し上げることを示していました。ジョーンズ氏はこれらの尾根を「決定的な証拠」と呼び、そのような脈動が起きていることを裏付けていますが、残念ながら、これらの尾根はPETMの時代にまで遡るものではありません。

さらなる手がかりを求めて、ジョーンズ氏らはスコットランド近郊のフォーティーズ砂岩層に着目した。石油掘削のターゲットとなっているフォーティーズ砂岩層は、石油業界によって広範囲にわたる調査、掘削、地震探査が行われてきた。その結果、地質学者たちは、この層が5600万年前に大西洋から隆起したスコットランドとグリーンランドを結ぶ陸橋の侵食された残骸から形成されたことを突き止めた。これはPETMと一致する。「海底堆積物が隆起して海面上に露出しているのが分かります」と、研究の共著者であるトム・ダンクリー・ジョーンズ氏は述べた。

この隆起は、マントルの巨大な脈動が地殻の下に到達したことを示す明確な兆候であり、場所によって隆起のタイミングが異なることから、バーミンガムのチームは地下のマグマの「傷跡」がいかに速く広がったかを知ることができた。

しかし、地下のシルがどれほどの有機物を燃焼させたのかを解明するには、まずそれらを見つけ出し、その量を計測する必要がありました。この作業は、スティーブン・ジョーンズの元大学院生であるマレー・ホゲットとカリーナ・フェルナンデスに委ねられました。彼らは数万平方キロメートルに及ぶ地震探査データを精査し、この地域には1万1000から1万8000のシルが存在すると推定しました。

「形状と寸法のデータベースができるまでは、適切な炭素放出量を得るためには、敷居をどのくらいの速さで、どのくらい規則的に動かす必要があるかさえ分からなかった」と共著者のサラ・グリーン氏は述べた。

次に、科学者たちは、個々の油田がガスを生成する速度を計算する標準的な石油業界モデルと、モンテカルロシミュレーションと呼ばれる統計手法を組み合わせて、油田全体がガスを放出する速度を計算した。

「それぞれのシルは小さく、少量の炭素しか排出しません」とグリーン氏は説明した。「私たちが目にするような総放出量に達するには、複数のシルが同時に活動している必要があります。」

火成岩トリガー

驚くべきことに、研究チームが算出した排出量は、5600万年前の堆積物中の同位体から算出されたPETM中の炭素放出量の独立した推定値と一致している。「非常によく一致しているという事実は…非常に説得力があります」とグリーン氏は述べた。

バーミンガム大学の研究グループは、これまでメタンクラスレート説を支持していた複数の科学者の考えを変えた。その一人であるペンシルベニア州立大学の地質学者リー・カンプ氏は、今回の研究を「北大西洋火成岩地域がPETM（メタンクラスレート）における炭素放出の引き金であり、主要なメカニズムであることを示す説得力のある証拠」と評し、「メタンクラスレートの関与は不要だ」と述べた。同様に、PETMの最も初期の証拠のいくつかを発見し、かつてはメタンクラスレートが原因だと考えていたカリフォルニア大学サンタクルーズ校のジェームズ・ザコス氏も、現在では火成活動が「炭素の引き金であり、主要な発生源」だと考えていると述べた。ユトレヒト大学のアピー・スロイス氏もこれに同意し、「火山活動がPETMを引き起こした可能性は確かにある」と述べた。

クラスレートや永久凍土が温暖化を増幅させた可能性もあると研究者らは主張するが、新たな研究は火成活動が優勢であったことを強く示唆している。

対照的に、ハワイ大学マノア校のリチャード・ジーブ氏は、PETMとその後の温暖期は、地球が太陽の周りを公転することで太陽からの熱が過剰に供給されていた時期と一致していたという、これまでの見解を堅持している。「PETMは、長期にわたるハイパーサーマル現象の一部です」と彼は述べ、「ある特定の現象、例えばPETMの火山活動に特別な誘因があるとし、他のすべての現象には当てはまらないというのは、非論理的に思えます」と続けた。

他の科学者は、その後に起こる超熱活動は地質時代を通じて堆積物中に見られる通常の軌道の鼓動に過ぎないが、PETMは2倍の大きさで、はるかに急激で、軌道と同期していないため、原因が異なることを示していると述べている。

PETM の火成岩起源の確認は、現代の気候変動にとって重要な意味を持ちます。

例えば、この研究結果は、メタンクラスレートと永久凍土が一部の科学者が懸念するほど将来の温暖化に寄与しない可能性が高いという結論を出した、最近発表された研究結果とも一致しています。また、PETMに関する知見は、地球が大量の炭素の蓄積にどのように反応するかについての私たちの理解が、過去6000万年間から将来に至るまで、概ね信頼できるものであることを示唆しています。

しかし、短期的には、私たちは未知の領域にいる。PETM（温暖化メタンフェタミン）の期間中に排出された炭素量は、私たちが今後排出する可能性のある量よりもはるかに多かったにもかかわらず、その数千年にわたる期間によって地球のプロセスがそれに対抗する時間的余裕が生まれ、より極端な温暖化は回避された。

「PETM のピーク時と比較すると、現在私たちが行っていることは 1 桁以上高速です」とグリーン氏は語った。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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