惑星の気候システムと火山活動
伊藤孝士 (東京大学理学部地球惑星物理学教室)
「気候システム」という語は、従来の気象学の領域であった大気圏・水圏に
於ける気候変動を議論する場合に用いられる言葉である。最近では東京大学に
も「気候システム研究センター」なるものが設立されたりで一種の流行語にも
なりつつあるのだが、近年になり、これまで気候システムとはほとんど無関係
であると考えられて来た固体地球部分や生物圏・磁気圏などが実は大きな影響
を持つということが言われるようになって来た。本稿では、地球をはじめとす
る太陽系の惑星の気候システムが広い意味でどのようなものであり、また過去
に於てどのようなものだったのかをごく簡単に述べ、更に火山活動との関わり
についても多少触れる。
我々が居住する惑星・地球の現在の気候システムの姿は、太陽＝高温熱源、
宇宙空間＝低温熱源という熱機関であると位置付けることができよう。「熱機
関」という語の意味は、ここでは入って来たエネルギー(太陽放射)によって地
球表層での様々なプロセス(生命活動、大気や海洋の運動)などが引き起こされ、
残ったエネルギーはそのまま宇宙空間へ赤外放射として逃げて行くということ
であり、要は機関自体がエネルギーを発生するものではないということである。
このことは、地球内部からのエネルギー流量(地殻熱流量、6.9*10^(-3)W/m^2)
が太陽からのエネルギー放射(太陽定数、単位表面積あたり3.5*10^2 W/m^2)に
比べて十分小さく、内部熱源としては無視し得るというところに由来している。
我々の日々の活動は、こうした熱機関が成す仕事の一部なのである。
然るに、視野を広げてみると、このような熱機関近似が当てはまるのは現在
の地球型惑星だけであることがわかる。太陽系の惑星に於ける気候システムは
ごく大まかに言って図１のように分類できるであろう。この分類の仕方は気候
システムを支えるエネルギー源に着目したやり方であり、一意的ではない。し
かし、気候変動や惑星表層環境進化を語る上で熱源と熱輸送の方向に着目しな
いわけには行かないので、ある程度の妥当性を持つ分類だと考えられる。例え
ば、現在の木星型惑星は惑星内部からのエネルギー流量が太陽からのエネルギー
放射に匹敵するほどの大きさである。これは、木星型惑星の内部構造が地球型
惑星とは本質的に異なり、現在も収縮を続けながら熱を外部へ放出する、いわ
ゆる「燃えて」いるという性質のためである。木星などは惑星内部からのエネ
ルギー流量と太陽からのエネルギー放射の比が1.67にも達している[10]。また
更に、時間軸を遡って惑星形成の初期段階にまで行くと、様相は全く異なって
来る。
この時代の惑星環境に気候システムという言葉を用いるのが適当なのかどう
か多少疑問はあるが、とにかく、この時期には微惑星の衝突・集積により解放
されるエネルギー量が非常に大きかった。文献[13]によれば、地球程度の直径
を持つ惑星の集積エネルギーフラックスは、集積時間を10^8年として数百
W/m^2と見積もられている。集積時間が10倍ならばフラックスは1/10、集積時
間が1/10ならばフラックスは10倍になるが、いずれにせよ太陽からの放射量と
桁が同じであり、惑星自身が熱源であったと言える。
このように時間的・空間的に大きな多様性を示す太陽系惑星の気候システム
であるが、ここでは現在の地球型惑星の気候に対する火山活動の影響と言う点
から考察を試みる。いわゆる「熱機関近似」が成り立つ範囲である。
諸行無常の世の中ではあらゆる事象が気候変動の一環であると言えるかもし
れないが、ここでは地球科学で扱う範囲の環境変化のみを考える[1,3,4,9,11]。
惑星表層環境で生じる現象のうち最も長い時間スケールを誇るものは、炭素・
窒素などの物質の循環であろう。これはそのまま表層環境の進化の原動力にな
るものであり、10^7年から10^8年、10^9年の時間スケールを持つ。これに対し、
大気中に生じた温度の非平衡が放射伝達や運動によって緩和される時間スケー
ルは非常に短く、10^(-1)年程度である。こうした時間スケールの違いは、外
因となる物事の時間スケールの違い(恒星としての太陽の進化は10^9年単位だ
が、昼と夜の差(日変化)はその名の通り惑星の自転周期の時間スケールを持つ)
や、現象を伝える媒質の性質(固体地球＝運動の時間スケールが長い、大気・
海洋＝運動の時間スケールが短い、など)に因っている。このような中で、火
山活動の気候に対する影響は主として放射過程を通したものとして理解される。
これには、�‖腟っ罎悗離┘▲蹈哨襪諒�出と滞留、��大気中への温室効果気体
の放出、の二つがある。(1)の時間スケールは放射過程に関与する大気中のエ
アロゾルの滞留時間に制限 され約10^0年、(2)は前述の物質循環の時間スケー
ルが決定要因だとすれば(現実はもっと複雑だが)10^7年から10^8年である。我々
が実感をもって認識できるのは(1)の効果だけだが、長い目で地球の歴史を見
た場合には(2)の方がより大きな影響を持つ。
上述のエアロゾルとは、気体中に固体や液体の微粒子が浮遊している状態の
ことを言う。火山が噴火すると、シリケイト粒子や硫酸塩液滴などの微粒子が
大量に大気中に漂うことになるのが普通だが、このうちで比較的直径が大きく
重いシリケイト粒子(直径＞1μm)はすぐに大気から地表面へ落ちてしまい、大
気の放射過程への影響は数十kmから数百kmスケールの局地的なものに留まる。
これに対し、火山ガスに含まれる二酸化硫黄や硫化水素が光化学反応して生成
する硫酸液滴が一旦成層圏にまで舞い上がると、その直径(0.1-1μm程度)がちょ
うど可視域の電磁波と波長が同じであるために入射太陽放射と強く相互作用し、
大気の放射過程に甚大な影響を及ぼす。
非常に大雑把な言い方をすれば、太陽放射とエアロゾルは吸収または散乱と
いう形でのみ相互作用する。放射過程に大きく寄与するエアロゾルは成層圏に
存在しているのだから、その場で太陽放射が吸収されてしまえば成層圏は温度
が上昇するが、地表面に達するエネルギー量は減少する。同様に、太陽放射が
エアロゾル粒子によって散乱されることによっても地表面に達するエネルギー
量の減少が起こる。その他にもエアロゾル絡みの複雑な効果が色々あるのだが
(例・雲の生成)、いずれにせよエアロゾルの存在が地上気温・地表面温度を低
下させるというのは動かし難い事実である。1963年のインドネシアのAgungの
噴火時の気象観測記録を見ると、このような原因による地上での気温低下/成
層圏での気温上昇が如実に表われているし、人類の歴史上最大の噴火と言われ
る1815年のTamboraの噴火の場合には、ヨーロッパ・北米に於て翌1816年を
「夏のない年」にせしめたことで名を馳せている[15]。いずれも大量のエアロ
ゾルを成層圏に突入させた大規模な噴火であった。その意味では、昨年六月の
フィリピン・ピナツボ火山の噴火も規模が大きく、今後の気候への影響が各分
野で取り沙汰されている[2]。
さて次には、火山活動が温室効果に対してどのように寄与するのかを考えて
みる。言うまでもないと思うが、地球大気は可視光(入射太陽放射)に対しては
透明であり、赤外光(射出放射)に対しては不透明である。よって、地表面は可
視光線として太陽から入射したエネルギーによって加熱されるが、暖められた
地表面から出て来る赤外放射は不透明な大気に遮られて宇宙空間に出て行けず、
温度上昇の状態が維持される。これが温室効果である。温室効果に強く効く気
体(赤外領域の電磁波と強く相互作用する物質)としては、二酸化炭素や水蒸気
がその代表として挙げられる。しかし、現在の地球環境は液体の水(＝海洋)が
存在し得る温度・圧力条件にあり、大気中の水蒸気量は気温に強く依存するの
で、水蒸気圧にこれ以上の上昇は望めない。よって、火山噴火が直接温室効果
に影響を持つとすれば二酸化炭素の増大による寄与だということになる。表１
には、Tamboraの噴火で放出されたと考えられる二酸化炭素量と、中央海嶺お
よび人間活動によって一年間に放出される二酸化炭素量を示した[15]。これを
見ると、今世紀の人間活動が如何に目覚ましいかということがすぐに見て取れ
るが、それに比べると一回の噴火で放出される二酸化炭素の量など(Tamboraの
ような大噴火でも)あまり多くないことがわかる。
しかし、話をより長期的且つ汎世界的視野に移した場合、状況は異なって来る。
10^7年から10^8年といった極めて長い時間スケールでは、グローバルな炭素循
環の一リンクとしての火成活動(狭義の火山活動に中央海嶺の活動なども含め
てこの言葉を用いる)が気候変動に大きく関与しているのである。炭素循環を
含む物質循環については文献[5]が非常に詳しいのでそちらを参考にして頂く
としても、要は火成活動で大気中に噴出した二酸化炭素が風化作用により固定
され、様々なプロセスを経て再び大気中に戻って来るというサイクルが第０近
似としての炭素循環の枠組みである(図２)。ここで、図２に示されるシステム
に於て火成活動が一時的に活発化したとすると、大気中の温室効果気体(ここ
では二酸化炭素)がにわかに増大する。これによって強い温室効果がもたらさ
れれば、火成活動が気候変動に大きな影響を持つということも理解されるであ
ろう。地球史に於ては、現実にこのような現象が生じたとされている。
地質学的証拠からは、約一億年前の白亜紀と呼ばれる時代が極めて温暖だった
ことが示されている。即ち、この時代には海水温が異常に上昇し、極域の氷床
は消滅し、広く浅い海水面が全世界的に進出していたのである[6]。グリーン
ランドに鰐がいたと言われるこの時代はまた、海洋底の拡大速度が恐ろしく早
く、火成活動も全球で活発であったらしい。これらの現象は前述の炭素循環の
枠組の中で統一的に理解される。つまり、高速の海洋底拡大・大規模な火成活
動は二酸化炭素の放出量を増大する。海洋底の年齢が若返ることによる海水位
の上昇は風化作用の余地を減少させ、大気中の二酸化炭素は固定されにくくな
る。従って大気中には二酸化炭素が徐々に溜って来て、増大した温室効果によ
り地球は温暖化したというのが現在のところ業界に最も広く受け入れられてい
る定説である。因みに、「何故火成活動が活発化したのか」という問いに対し
ては明確な解答が得られておらず、マントルからのスーパープリューム上昇説
など魅力的なアイディアは数多く提出されているものの、どれも今ひとつ決め
手を欠いている。
さて、火成活動の活発化による温暖化は条件さえ揃えば地球以外の惑星でも
十分起こり得る。案の定、火星についてこのような温暖化の状況があったので
はないかという説が最近になって提出されている[7]。探査衛星ヴァイキング
が送って来た画像データを見ると、火星の地表には巨大な流水地形(水のよう
なものが流れた形跡)が多く見られる[8]。これらがいつどのようにして形成さ
れたかを知ることは太陽系の歴史を理解する上で重要なキーになるはずだが、
決定的なシナリオは未だに作られていない。文献[7]では、TharsisやElysium
などの巨大火山が噴火した際に一時的な海洋や湿潤な大気が形成され、それら
が温室効果をもたらして温暖化に正のフィードバックをかけたという説が展開
されている(図３)。元来火星には水や二酸化炭素が豊富にあるが、太陽から遠
いので、水は永久凍土、二酸化炭素は極冠という形で蓄えられていると考えら
れている。それらが地下から上昇してきた熱によって融解すれば(空間スケー
ルははっきりしないが)局所的には図３のような状況が現出するであろうとい
うのが彼らの主張である。真実であれば非常に理にかなった説明と言えるであ
ろう。
しかし、この説の信憑性を真面目に検討すると、実はかなり疑問が残る。まず、
局地的に地下から熱が上昇してきたとしても、それが地表から散逸してしまう
速度の方がずっと速い可能性がある。更に、いくら二酸化炭素の気圧を上げて
温室効果を強めようとしても、大気成分(ここでは二酸化炭素)の凝結を考慮す
るとさほどに気温の上昇はないという計算結果もある[12]。このような状況を
見るに、火星の流水地形の謎が解けたとはとても言えそうにない。けれども、
火成活動による惑星表面の温暖化は気候システムの進化を語る上で極めて重要
な問題であり、今後の定量的な研究が大いに望まれる分野である。
進化の段階ごと、また各惑星毎に気候システムの枠組みは異なる。本文では
触れなかったが、例えば地球型惑星と十把ひとからげに言っても火星と金星と
では天と地以上の違いがあり、大気圧をとっても10^4もの違いがある。その中
で、現在の地球型惑星の気候に火山活動が果たす役割は大気の放射過程を通し
たものであり、今見たように白亜紀の温暖化などは一時的に活発化した火成活
動による温暖化の典型的な例である。火星でもこのような温暖化が生じたかど
うかの真偽はともかくとしても、こうした問題に対して各分野の研究者が積極
的に取り組むことが期待される。もはや気候変動は多圏間相互作用なくしては
語れない段階に達しており、従来の学問的範疇を取り払った研究形態が待たれ
ているのである。
<謝辞>
この原稿を執筆にあたっては、東京大学理学部地球惑星物理学教室の増田耕
一先生、松井孝典先生、大学院生の倉本圭さん、杉田精司さん、東京大学気候
システム研究センターの田近英一さんから有意義な助言と忠告を頂いた。また、
惑星火山ワーキンググループ会合での発表を勧めて下さった地質調査所環境地
質部の渡辺了さんに、この場を借りて心から感謝の意を表する。
<参考文献>
[1]三上岳彦. 小氷期_気候の数百年変動. 科学, 61:681-688, 1991.
[2]千葉長. ピナツボ火山噴火の気候への影響. 科学, 61:629-630, 1991.
[3]増田耕一. 小氷期の原因を考える. 地理, 37(2):56-65, 1992.
[4]増田富士雄. 過去6億年間の気候変動に見る周期. 科学, 59:455-463, 1989.
[5]田近英一, 松井孝典. 大気環境から見た惑星地球の変動. 科学, 61:649-656, 1991.
[6]平朝彦. 温室地球の環境_白亜紀の世界. 科学, 61:657-662, 1991.
[7]Baker, V.R. et al. Ancient oceans, ice sheets and the hydrological cycle on
Mars. Nature, 352:589-594, 1991.
[8]Carr, M.H. The Surface of Mars. Yale University Press, 1981.
[9]Crowely, J.T., North, G.R. Paleoclimatology. Oxford University Press, 1991.
[10]Hanel, R.A. et al. Albedo, internal heat, and enegy balance of Jupitar:
preliminary results of the Voyager infrared investigation. Journal of
Geophysical Research, 86:8705-8712, 1981.
[11]Hays, J.D. et al. Variations in the Earth's orbit: pacemaker of the ice
ages. Science, 194:1121-1132, 1976.
[12]Kasting, J.F. CO2 Condensation and the climate of early Mars. Icarus,
94:1-13, 1991.
[13]Kuramoto, K. Origin and Evolution of Titan and Icy-Satellites. Master's
thesis, University of Tokyo, 1991.
[14]Rampino, M.R. et al. Can rapid climatic change cause volcanic eruptions?
Science, 206:826-828, 1979.
[15]Sigurdsson, H. Evidence of volcanic loading of the atmosphere and climate
response. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 89:277-289,
1990.
[16]Toon, O.B. Volcanos and climate. Atmospheric Effects and Potential Climate
Impact of the 1980 Eruptions of Mount St.Helens, NASA-CP-2240:15-24, 1982.
[17]Toon, O.B., Pollack, J.B. A global average model of atmospheric aerosols
for radiative transfer calculations. Journal of applied meteorology,
15:225-246, 1976.