地球温暖化で雲が消滅する恐れ―壊滅的

2019年3月3日午前7時

コンピューターシミュレーションでは、地球の気温が上昇すると雲が少なくなり、温暖化が制御不能に陥る可能性があることが示唆されている。

最先端のスーパーコンピューターによるシミュレーションによると、地球温暖化と雲の減少のフィードバックループにより、地球の気候はわずか1世紀で壊滅的な転換点を超える可能性があることが示唆されている。Michelle Yun/Quanta Magazine; iStock

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1987年の南極航海で、古海洋学者ジェームズ・ケネットとその乗組員はウェッデル海に錨を下ろし、海底を掘削して垂直の円筒状の堆積物を採取した。深さ500フィート（約150メートル）以上の深海に埋もれた厚さ1インチ（約2.5センチ）のプランクトン化石やその他の堆積物の層の中に、彼らは地球の過去に関する不穏な手がかりを発見した。それは未来に災厄をもたらす可能性を秘めていた。

クアンタマガジン

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。

堆積コアの下層には、60種のプランクトン化石が豊富に存在していました。しかし、約5600万年前のこの薄い断面では、種の数は17種にまで減少していました。そして、プランクトンの酸素と炭素の同位体組成は劇的に変化していました。ケネットと彼の弟子であるローウェル・ストットは、異常な同位体組成から、二酸化炭素が大気中に大量に放出され、海洋が急速に酸性化し温暖化したと推測しました。これは、現在私たちが目にしているプロセスに似ています。

これら17種類のプランクトンが温暖化した海水に沈み、南極の海底に定着していく一方で、現在のワイオミング州でバクのような生物が死に、ビッグホーン盆地のバッドランドを流れる鮮やかな赤色の堆積岩層に歯を残しました。1992年、この歯の化石を発見したフィル・ジンゲリッチ氏と共同研究者のジム・ザコス氏、ポール・コッホ氏は、そのエナメル質に、ケネット氏とストット氏が前年に海洋調査で発表したのと同じ同位体異常が見られることを報告しました。この先史時代の哺乳類は、二酸化炭素に満たされた空気を呼吸していたの_です。

中国、ヨーロッパ、そして世界中でさらに多くのデータポイントが浮上した。5600万年前に起きた、現在では暁新世-始新世温暖極大期（PETM）として知られる、短期間で壊滅的な高温期があった様子が浮かび上がった。温室効果ガスを閉じ込める炭素が未知の発生源から大気中に漏れ出し、すでに現在よりも数度高温だった地球の温度がさらに6度上昇した。赤道付近の海はジャグジーのように高温になり、世界中で大量絶滅が起きた。陸上では、原始的なサル、ウマ、その他の初期の哺乳類が植物を追って高緯度地域へと北上した。また、炭素を含んだ空気中で葉の栄養分が低下するにつれ、哺乳類は世代を経るごとに小型化していった。猛烈な嵐が地球を襲い、地質学的記録は鉄砲水や長引く干ばつを示している。ケネットが述べたように、「地球が引き金を引かれ、地獄の門が開いた」。

_{PETMは、 CO2}に起因する気候変動の過去の事例を提供するだけでなく、地球の気候に甚大な影響を与える未知の要因を示唆していると科学者たちは指摘しています。地球が温暖化した時は、まさにその通りでした。PETMのような古代の温暖化現象は、気候理論モデルが示唆するよりもはるかに極端なものでした。これらの過去の現象における地形、海流、植生の違いを考慮した後でさえ、古気候学者たちは、彼らのモデルには何か大きなものが欠けているように見えることを発見しました。それは、化石記録に痕跡を残さない、激しい変動をもたらすX因子です。

専門家が長らく疑念を抱いていたものの、最近になってようやく詳細に検証できるようになった答えを支持する証拠が積み重なりつつある。「現時点では、答えが雲であることは極めて明らかです」と、パデュー大学の古気候モデル研究者マット・フーバー氏は述べた。

現在、地球の約3分の2は常に雲に覆われています。しかし、雲のコンピューターシミュレーションは、地球温暖化に伴い雲が少なくなることを示唆し始めています。太陽光を宇宙に反射する白い表面が減少すると、地球はさらに温暖化し、雲の減少が加速します。このフィードバックループにより、温暖化は制御不能な状態へと陥ります。

数十年にわたって、大まかな計算では雲の減少が気候に大きな影響を与える可能性があることが示唆されてきたが、この懸念は、ここ数年、雲の観測とシミュレーションが研究者らが説得力のある証拠を集められるほどに改善されるまで、推測の域を出なかった。

今週、Nature Geoscience誌に報告された新たな研究結果によると、雲消失の影響は PETM のような太古の温暖化現象を説明するほど劇的で、将来の大惨事を招く恐れもあるという。カリフォルニア工科大学の気候物理学者たちは、地球上で圧倒的に大きい冷却効果を持つ、低く広がる層積雲の最先端のシミュレーションを行った。このシミュレーションによって、層積雲が完全に分解する温暖化レベルである転換点が明らかになった。シミュレートされた大気中の CO2 濃度が 1,200 ppm に達したときに雲が消失する_。これは、「現状維持」の排出シナリオでは、化石燃料の燃焼によって約 1 世紀でこのレベルを超える可能性がある。シミュレーションでは、転換点を超えると、CO2 が直接引き起こす 4 度以上の温暖化に加えて、地球の気温が 8 度上昇_する。

マサチューセッツ工科大学の気候科学者ケリー・エマニュエル氏は、雲が消え去ると、シミュレーションされた気候は「崖っぷちに立たされる」と述べた。大気物理学の第一人者であるエマニュエル氏は、今回の新たな研究結果を「非常に妥当性が高い」と評価したが、同氏が指摘するように、科学者たちは今後、この研究を独自に再現する努力をしなければならない。

12度の温暖化を想像するには、北極で泳ぐワニや、PETM（温暖化の温暖化）の時期に焼け焦げ、ほとんど生命の存在しない赤道地域を思い浮かべてみてください。もし炭素排出量が十分に早く削減されず、臨界点を超えた場合、「それは真に壊滅的な気候変動となるでしょう」と、コリーン・カウル氏とカイル・プレッセル氏と共に新たなシミュレーションを行ったカリフォルニア工科大学のタピオ・シュナイダー氏は述べています。

フーバー氏は、層積雲のティッピングポイントは、古気候記録に見られる変動性を説明するのに役立つと述べた。彼は、これが地球の気候における多くの未知の不安定性の一つである可能性があると考えている。「シュナイダー氏と共著者たちは、潜在的な気候の驚きというパンドラの箱を開けてしまったのです」と彼は述べ、雲消失のメカニズムが明らかになるにつれて、「過去の気候から明らかになったこの極めて大きな感受性は、突如として過去のものではなく、未来のビジョンとなるのです」と付け加えた。

クラウドの問題

雲は多様な形をしています。空を埋め尽くす層雲、ポップコーンのような積雲、薄い巻雲、金床のような形状の後光、そしてそれらの混合体など、様々な大きさがあり、物理的なスケールも様々です。微細な水滴からできており、幅は何マイルにも及び、全体として地球の表面の大部分を覆っています。雲は太陽光を地表に届かせることで、地球の温度を数度も下げ、非常に重要な役割を果たします。しかし、雲は実体のない存在であり、複雑な物理法則によって壮大なスケールへと織り込まれています。もし地球を覆う、ところどころに広がる白い雲のベールが地上に降りてきたら、髪の毛ほどの厚さしかない、水っぽい光沢しか残らないでしょう。

雲は一見単純な構造に見えます。暖かく湿った空気が上昇して冷えることで発生します。空気中の水蒸気が塵や海塩などの粒子の周りで凝結し、液体の水滴、あるいは氷の粒、つまり「雲粒」を形成します。しかし、熱、蒸発、乱流、放射線、風、地形、その他無数の要因が加わることで、雲の姿はますます複雑になっていきます。

物理学者たちは1960年代から、地球温暖化が様々な種類の雲にどのような影響を与え、それが地球温暖化にどのような影響を与えるかを理解しようと苦心してきました。何十年もの間、地球温暖化の深刻度に関する不確実性の最大の要因は雲であり、社会が炭素排出量の削減に向けてどのような行動を取るかは別として、雲は不確実性の最大の要因と考えられてきました。

ケイト・マーベル氏は、ニューヨーク市にあるNASAゴダード宇宙研究所で、雲の問題について考えを巡らせている。昨春、アッパー・ウエスト・サイドにあるトムズ・レストランの数階上にあるオフィスで、雲模様のスカーフを巻いたマーベル氏は、様々な地球気候モデルによる予測範囲を示すグラフを指差した。世界中の気候研究センターが運用する約30のモデルは、CO2濃度の上昇に伴って地球の気温がどの程度上昇するかを予測するために、既知のあらゆる要因をプログラムして_いる。

各気候モデルは、地球の大気を表す球面グリッド上で一連の方程式を解きます。スーパーコンピューターを用いて、解のグリッドを時間的に前進させ、空気と熱が各グリッドセルをどのように流れ、地球上をどのように循環するかを示します。二酸化炭素やその他の温室効果ガスをシミュレートした大気に加え、何が起こるかを観察することで、科学者は地球の気候応答を予測することができます。すべての気候モデルは地球の海流と風の流れを考慮に入れており、極地の氷床の融解や湿度の上昇など、地球温暖化を悪化させる重要な気候フィードバックループのほとんどを組み込んでいます。各モデルはほとんどの要因について一致していますが、雲の表現方法には大きな違いがあります。

最も感度の低い気候モデルは、増加する CO2 に対する反応が最も緩やかなものを予測し_{、大気中の}_CO2濃度が産業革命以前の 2 倍になると地球は 2℃ 温暖化すると予測している。これは現在、2050 年頃に起こると見込まれている。(化石燃料の燃焼が始まる前の_CO2濃度は 280 ppm だったが、現在は 410 ppm を超えている。これまでに世界の平均気温は 1℃ 上昇している。) しかし、2℃ の予測は最良のシナリオだ。「本当に人々を怖がらせるのはこの上限値です」とマーベル氏は述べ、CO2 の倍増に対して 4℃ から 5℃ の温暖化予測を示した_。「これを例に挙げると、現在と最終氷河期の差は 4.5℃でした」。

モデル予測の大きな幅は、主に、将来雲が太陽光を遮る量を予測するかどうかにかかっています。マーベル氏は、「気候感度におけるモデルのばらつきは、基本的に雲の挙動に関するモデルのばらつきに過ぎないと、かなり自信を持って言えるでしょう」と述べています。

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問題は、地球規模の気候をコンピューターでシミュレーションする場合、今日のスーパーコンピューターでは、面積が約100キロメートル四方よりも小さいグリッドセルを解像できないことです。しかし、雲は幅が数キロメートル程度しかない場合が多いのです。そのため、物理学者は地球モデルにおいて雲を単純化、つまり「パラメーター化」し、気温や湿度といった他の特性に基づいて、各グリッドセルに全体的な雲量レベルを割り当てる必要があります。

しかし、雲は非常に多くのメカニズムが相互作用しているため、それらをどのようにパラメータ化するのが最適かは明らかではありません。地球と空の温暖化は、雲の形成に関与するいくつかのメカニズムを強化する一方で、雲を分解する他の力も刺激します。二酸化炭素濃度の倍増に伴い気温が2度上昇すると予測する全球気候モデルは、_一般的に雲量の変化はほとんど、あるいは全くないと予測しています。一方、4度以上の上昇を予測するモデルは、今後数十年間で雲量が減少すると予測しています。

ペンシルベニア州立大学地球システム科学センター所長の気候学者マイケル・マン氏は、気温が2度上昇するだけで「甚大な人命損失と苦しみ」をもたらすと述べた。マン氏によると、数百万もの人々の食料となるサンゴ礁が死滅するだけでなく、洪水、山火事、干ばつ、熱波、ハリケーンなどの被害リスクが高まり、「海面が数フィート上昇し、世界中の低地島嶼国や沿岸都市が脅威にさらされる」ことになるという。

気温が4度上昇した場合、「世界のサンゴ礁の破壊、動物種の大量絶滅、そして壊滅的な異常気象」だけでなく、「私たちの適応能力を脅かすような数メートルもの海面上昇」も起こるだろうとマン氏は述べた。「それは、現在の人類文明の終焉を意味するでしょう」

今から1世紀かそれ以上後、層積雲が突然完全に消滅し、すでに起こっている温暖化にさらに8度も気温が上昇するような事態になったら、一体何が起こるのか想像するのは難しい。「そんな事態に陥らないことを願っています」と、タピオ・シュナイダー氏は昨年、パサデナのオフィスで語った。

シミュレートされた空

過去10年間、スーパーコンピュータの性能向上と実際の雲の新たな観測により、シュナイダー氏をはじめとする多くの研究者が地球温暖化のXファクター問題に関心を寄せてきました。研究者たちは現在、雲の力学を高解像度でモデル化し、実際の雲とよく似たシミュレーションの雲群を生成できるようになっています。これにより、二酸化炭素排出量を増加した場合に何が起こるかを観察することが可能になりまし_た。

まず物理学者たちは、数マイルもの高さに広がる巻雲のような、氷のように薄く薄い高層雲に着目しました。2010年までに、ローレンス・リバモア国立研究所のマーク・ゼリンカ氏らの研究は、地球温暖化に伴い高層雲が空高く移動し、高緯度地域へと移動するという説得力のある結果を示しました。高緯度地域では、赤道付近ほど直射日光を遮らないため、高緯度地域へと移動するのです。この影響は温暖化をわずかに悪化させると予想されており、すべての地球気候モデルはこの影響を考慮に入れています。

しかし、上層雲よりもはるかに重要で、かつより困難なのは、低く厚く乱流を伴う雲、特に層積雲です。真っ白な層積雲は海の4分の1を覆い、本来であれば下にある暗い波に吸収されるはずの太陽光の30～70%を反射します。層積雲は大小さまざまな乱流渦を含んでいるため、シミュレーションには膨大な計算能力が必要です。

ワシントン大学の大気科学者で数学者のクリス・ブレザートン氏は、2013年と2014年に、これらの雲と理想化された気候モデルを組み合わせた最初のシミュレーションをいくつか行いました。彼と共同研究者は、層積雲の小さな塊をモデル化し、その下の海面がCO2の影響で温暖化すると雲が薄くなることを発見しました_。この研究と、NASAの衛星データによると温暖な年は寒冷な年よりも雲が少ないことが示されていることなど、他の知見から、雲量の変化がほとんどなく、気温上昇もわずか2度と予測する、最も感度の低い全球気候モデルはおそらく正しくない可能性が示唆され始めました。

シュナイダー氏が「この分野で最も優秀な人物」と呼ぶブレザートン氏は、層積雲の最も優れたシミュレーションを開発しているだけでなく、彼と彼のチームは実際の雲の中を飛行し、飛行機の翼に機器をぶら下げて大気の状態を測定したり、レーザーを雲粒に反射させたりもしている。

昨冬のソクラテス・ミッションで、ブレザートン氏は政府の研究機に乗り込み、タスマニア島と南極大陸の間の南極海上空の層積雲の中を飛行しました。地球規模の気候モデルはこの地域の雲量を大幅に過小評価する傾向があり、そのため雲量の変化に対するモデルの影響は比較的小さいのです。

ブレザートン氏と彼のチームは、南極海の雲がなぜこれほど豊富にあるのかを調査することにしました。彼らのデータは、雲が、気候モデル作成者が長らく想定してきた氷粒子ではなく、主に過冷却水滴で構成されていることを示しています。液体の水滴は氷滴（氷滴はより大きく、雨として降り注ぐ可能性が高い）よりも長く留まるため、この地域の雲量は全球気候モデルの予測よりも多くなると考えられます。今回の研究結果を反映してモデルを調整することで、地球温暖化に伴うこの地域の雲の減少に対する感度を高めることができます。ブレザートン氏によると、これは「2～3度ではなく、3～5度という予測範囲を支持する複数の証拠の一つです」とのことです。

シュナイダー氏とカウル氏、プレッセル氏による新たなシミュレーションは、ブレザートン氏の以前の研究を主に改良したもので、層積雲の小さな塊で起こる現象を地球全体の気候の簡略モデルと結び付けることで実現しました。これにより、彼らは初めて、これらの雲が地球の気温に反応するだけでなく、潜在的なフィードバックループの中でどのように影響を与えるかを調査することができました。

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スイスとカリフォルニアのスーパーコンピュータで 200 万コア時間実行されたシミュレーションでは、カリフォルニア沿岸の雲によく似た、およそ 5 x 5 キロメートルの層積雲の塊がモデル化されました。シミュレートされた空の CO2_レベルが徐々に上昇し、海面が加熱されると、雲の動きが変化します。研究者らは、層積雲の形成を妨げる 2 つの主要な要因のために、転換点が発生し、層積雲が突然消滅することを発見しました。第 1 に、CO2 レベルの上昇によって_地球の表面と空が熱くなると、余分な熱によって雲の内部でより強い乱流が発生します。この乱流によって雲の上部近くの湿った空気が混合され、層積雲を覆う重要な境界層を通って押し上げられ、同時に上から乾燥した空気が引き込まれます。「エントレインメント」と呼ばれるこの現象は、雲を分解する働きをします。

第二に、温室効果によって上層大気が温暖化し、湿度が高くなると、層積雲の上層部への冷却効果が低下します。この冷却は不可欠です。なぜなら、雲頂部の冷たく湿った空気の塊が沈み込み、地表近くの暖かく湿った空気が上昇して雲となる余地を作るからです。冷却効果が低下すると、層積雲は薄くなります。

反対の力と影響は最終的に克服され、シミュレーションで CO2 レベルが約 1,200 ppm に達すると₍排出量が抑制されない場合は 100 年から 150 年以内に発生する可能性があります)、同伴の増加と冷却の低下により、層積雲全体が崩壊します。

雲の減少が地球の気温にどう影響するかを見るため、シュナイダー氏らは地球気候モデルのアプローチを逆転させ、高解像度で雲域をシミュレートし、その外側の世界の残りの部分をパラメーター化した。その結果、層積雲がシミュレーションで消えると、大量の熱が海洋に吸収され、海水温と蒸発率が上昇することがわかった。水蒸気には二酸化炭素とほぼ同様の温室効果があるため_、上空の水蒸気が増えると、地球の表面に閉じ込められる熱が増える。地球全体に外挿すると、低層雲の減少と水蒸気の増加は暴走的な温暖化、つまり恐ろしい8度の気温上昇につながる。気候がこの移行を終えて水蒸気が空気を飽和させると、二酸化炭素を徐々に減らしても_雲は戻らない。「ヒステリシスがある」とシュナイダー氏は述べ、システムの状態はその履歴に依存するという。「層積雲が再び形成される前に、_{二酸化炭素}濃度を現在と同程度、あるいはそれよりわずかに低い水準まで下げる必要があります。」

古気候学者たちは、このヒステリシスが古気候記録に関する他の謎を解明する可能性があると述べています。300万年前の鮮新世、大気中の二酸化炭素_濃度は現在と同程度の400ppmでしたが、地球は4度高温でした。これは、おそらく雲がほとんどなかった、はるかに温暖な時代から寒冷化が進み、層積雲がまだ戻っていなかったためと考えられます。

過去、現在、そして未来

シュナイダー氏は、この研究における重要な留意点を強調した。これは今後の研究で対処する必要がある。彼と同僚が作成した簡略化された気候モデルは、地球全体の風の流れが現状のまま維持されると想定していた。しかし、これらの循環が弱まり、層積雲の強度が増す可能性を示唆する証拠がいくつかある。その結果、層積雲の消失閾値が1,200 ppmからさらに高いレベルに上昇する可能性がある。他の変化によって逆の結果が得られたり、あるいは転換点が地域によって異なる可能性もある。

シュナイダー氏は、地球システムの「不均一性」をより正確に捉えるためには、研究者は雲塊のシミュレーションを多数用いて地球規模の気候モデルを較正する必要があると述べた。「私がぜひとも実現したいこと、そして実現できれば実現したいのは、こうした高解像度のシミュレーションを、おそらく数万個ものものを地球規模の気候モデルに組み込み、それら全てと相互作用する地球規模の気候シミュレーションを実行することです」とシュナイダー氏は述べた。このような環境であれば、層積雲のティッピングポイント（転換点）をより正確に予測できるだろう。

1,200ppm（百万分率）程度に到達するまでには、まだ長い道のりがあります。純炭素排出量をゼロにできれば、究極の災害は回避できます。ただし、これは人類が大気中に炭素を一切放出できないという意味ではありません。現在、私たちは毎年100億トンの炭素を排出しており、科学者たちは、地球が自然に排出・吸収される量に加えて、年間約20億トンの炭素を吸収できると推定しています。太陽光、風力、原子力、地熱エネルギーの拡大、農業部門の変革、そして炭素回収技術の活用によって、化石燃料の排出量を年間20億トンに削減できれば、人為的な地球温暖化は減速するでしょう。

シュナイダー氏は未来をどう見ているのだろうか？オフィスに座り、ノートパソコンの画面にうねる雲の魅惑的なシミュレーションを映し出しながら、彼はこう言った。「私はかなり、かなり楽観的です。太陽光発電がずっと安くなってきたからです。太陽光発電のコスト曲線が化石燃料のコスト曲線と交差する日もそう遠くありません。そして、それが一度交差すれば、産業全体が飛躍的に変化するでしょう。」

MITの気候科学者ケリー・エマニュエル氏は、気候変動の短期的な影響によって引き起こされる可能性のある経済崩壊により、層積雲の転換点に達する前に炭素排出量が削減される可能性もあると指摘した。

しかし、予期せぬ変化や気候の転換点が、私たちを崖へと向かわせる可能性もある。「心配です」と、PETMを発見し、地球の歴史における数々の激動の時代の証拠を発掘した先駆的な古海洋学者、ケネット氏は語った。「冗談でしょう？私にとって、地球温暖化は現代の主要な問題です。」

PETM期には、恐竜の滅亡後に新たに台頭した哺乳類が、実際に繁栄しました。北進した彼らは陸橋に到達し、そこから地球全体に広がり、生態学的ニッチを埋め尽くしました。そして、地球が大気中の過剰なCO2を再吸収し、20万年かけて寒冷化するにつれて、再び南下していきました_。しかし、彼らのような歴史を私たちが再現できるとは到底考えられません。科学者によると、一つだけの違いは、当時の地球はもともとはるかに温暖だったため、氷床が溶けて温暖化と海面上昇を加速させるようなものがなかったということです。

「もう一つの大きな違いは」と、ゴダード研究所所長の気候学者ギャビン・シュミット氏は述べた。「私たちはここにいて、この気候に適応してきたということです。私たちは海岸沿いに都市を築き、雨が降る場所と乾燥地帯がそこにあることを想定して農業システムを構築してきました。」そして、国境もそこにある。「私たちは、こうしたものが変化することに備えていません」と彼は言った。

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