３．気候変動と太陽活動のリンケージ	  太陽活動は、気候にどう影響するのか？	
3.1	  日射量変動は気候にどう影響するか？	  
3.2	  UV変動は気候にどう影響するか？	  
3.3	  銀河宇宙線強度は、気候にどう影響するか？	  
3.4	  太陽活動は、気候変動にどの程度影響するか？	  

20100223-­‐24森羅万象学校	

3.1	  日射量変動は気候にどう影響するのか？	  

Zebiak-­‐Cane	  Model	  Regional	  model:	  Tropical	  Paciﬁc	  atmosphere-­‐ocean	
Bjerknes	  Feedback	  赤道太平洋域全域加熱 	  	  東側で赤道湧昇が起こっているため、W-­‐Eの温度差発生	  	  貿易風（東風）強まり湧昇も強まる 	  	  W-­‐Eの温度差より強まる	
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入力データ：	  14C生成率変動を0.2%にスケーリングした、太陽放射変動	

20100223-­‐24森羅万象学校	（Emile-­‐Geay	  et	  al.,	  2007	  PO）	

14Cに基づく太陽放射変動を入力してZ-­‐C	  modelから出力された赤道域東西のSST差の時代変化	
Tw	  -­‐	  TE	

300-­‐400	  yrs	  1000	  yrs	ENSO発生のprobability	
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（Emile-­‐Geay	  et	  al.,	  2007	  PO）	

地球軌道要素変化に伴う日射量変化も考慮に入れた場合	

500	  yrs	  1000	  yrs	ElNino発生頻度高まる	
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（Emile-­‐Geay	  et	  al.,	  2007	  PO）	

1860-­‐2000の観測データをNINO3 indexに回帰した時の北大西洋の風の場	

20100223-­‐24森羅万象学校	

（Emile-­‐Geay	  et	  al.,	  2007	  PO）	

まとめ １	
• 0.2	  %の振幅で太陽放射照度変動を与えれば、太平
洋赤道域は、それに応答して500〜1000年周期のENSO的気候変動を生み出す。（また、ca.	  220年周期の変動のca.	  1500年周期での振幅変調も生み出す）	  • Orbital-­‐scale	  での日射量変動を加えると、その影響が減ったHolocene後半に、ENSO	  variabilityや数百年スケールの変動のしんぷくが大きくなる。	  
• こうしたENSO的パターン変動影響は、北大西洋にまで及ぶ。	  
• こうした、太陽放射照度変動に対する太平洋赤道域の応答は、微細な太陽活動の影響を増幅する役割を果たしていた可能性がある。	
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3.2	  UV変動は気候にどう影響するか？	
205	  nm	  フラックスと1.5	  hPa面でのオゾン含有率	

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(Hood,	  1999	  JASTP)	

高度40	  km	  付近でUV変動に対する	  感度が最大になる	

20100223-­‐24森羅万象学校	

(Hood,	  1999	  JASTP)	

27日周期の太陽放射量変動に応答した	  成層圏オゾン濃度変動	

205	  nm	  のsolar	  ﬂux	  の変動振幅3.3	  %に対して、オゾン含有率は0.25%変動する。	

20100223-­‐24森羅万象学校	

(Hood,	  1999	  JASTP)	

Maunder Minimumにおける寒冷化のシミュレーション結果�
（太陽活動のオゾン濃度への影響を考慮）�

半球で平均すると温度低下は0.3℃程度と小さいが、地域的変化の規模はずっと大きい�
Figure 1. Surface temperature change (in °C) from 1780 to 1680 in the GCM. NH annual average (left) andNovember to April NH extratropics (right)are shown. Nearly all points are statistically significant (not shown)because of the large number of model years. 	

(Shindell et al., 2001)	

. The leading EOF of NH SLP 	SLP change from 1780 to 1680 	

Fig. 2. The leading EOF of NH extratropical November-to-April SLP over the last 40 years of the 1680 and 1780 simulations(left), and the SLP change from 1780 to 1680 (right), both in mbar (mb).�The SLP difference is filtered in EOF space byshowing the projection onto the first 20 EOFs, which contain 70% of the total difference. This removes some of the highfrequency noise in the model induced by overly large energies at high wavenumbers. Hatched areas indicate statistical(Shindell et al., 2001)	

significance at the 90% level. 	

シミュレーションによる気候への影響評価	
太陽活動がピークの時のDJFの降水量の平均値からのずれ	  （１１のピークの平均）	

Top	  down:	  太陽活動に伴うUV変化の成層圏オゾンへの影響	  Boaom	  up:	  亜熱帯域における加熱→ITCZにおける降水強化→ハドレー循環、ウォーカー循環強化→東赤道太平洋における湧昇→東赤道太平洋域の雲減少	の2つのメカニズムを入れたシミュ
レーション結果	
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(Meehl	  et	  al.,	  2009	  Science	  	  modiﬁed	  by	  Kerr)	

3.3	  銀河宇宙線強度は、気候にどう影響するか？ 	

20100223-­‐24森羅万象学校	

(Donarummo	  et	  al.,	  2002	  GRL)	

GCRはaerosol	  のイオン化を促進	

空気のきれいな対流圏下部では、特にイオン化がこの過程を律速	  Cloud	  dropretの濃度上昇は、雲の反射率を上げると共に、雨を抑制し、雲の生存期間を増加させる	
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(Carslaw	  et	  al.,	  2002	  Science)	  Aerosol	  electron	  chargeは、雲の周辺で、	  著しく異なる分布をする	

強く帯電したaerosolは、ice-­‐forming	  nucleiを作り易い	
今のところ、仮説の域を出ない	
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(Carslaw	  et	  al.,	  2002	  Science)	  3.4	  太陽活動は、気候変動にどの程度影響するか？	  
過去117年間の地表温度の変動	
この変動を、ENSO、火山活動、太陽活動、人間活動の影響の線形結合で表現（重回帰）	  TR(t)	  =	  c0	  +cEE(t	  -­‐ΔtE)	  +	  cVV(t	  	  -­‐ΔtV)	  +	  cSS(t	  	  -­‐ΔtS)	  +	  cAA(t	  	  -­‐ΔtA)	  ただし、Δはlag	  で、それぞれ4,	  6,2,	  120	  か月を仮定	  20100223-­‐24森羅万象学校	

（Lean	  &	  Rind,	  2008	  GRL）	各要因を重回帰結果を基に温度にスケーリングした結果	

0.01K	0.0K	0.07K	

0.8K	（Lean	  &	  Rind,	  2008	  GRL）	

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地域的な応答パターン	

20100223-­‐24森羅万象学校	

（Lean	  &	  Rind,	  2008	  GRL）	

太陽活動への応答は、中緯度（40-­‐50度）で顕著	  20100223-­‐24森羅万象学校	

（Lean	  &	  Rind,	  2008	  GRL）	

まとめ	• 太陽総放射照度変動は、太平洋赤道域でBjerknes	  Feedbackにより増幅されている可能性がある。	  
• UVによる成層圏でのオゾンの生成と、オゾンによる温室効果が、中低緯度における大気循環変動を通じて気候に影響を及ぼしている可能性が高い。	  
• GCRが、ionの生成を通じて、対流圏下部の雲量を制御している可能性はあるが、まだ十分に検証されていない。	  

20100223-­‐24森羅万象学校	

20100223-­‐24森羅万象学校	

水惑星ステージの地球環境進化
ー現在の地球環境は、必然か偶然か？‐	•地質記録によれば、38億年前以降、海はずっと存在し続けた。	
•一方、恒星進化論によれば、44億年の太陽は、現在より30%暗かった。	
•その場合、大気組成が現在と同じであれば、地球表面は全面凍結してそこから抜けだせない筈である。	
•これは、現在の地球の状態と矛盾する。	

太陽
叏
明召
厷
（現在可咆
叉去召）	

地球が出来てからの時間（10臆年）	
•太陽の内部で、核融合反応により水素が燃焼してヘリウムが合成され、太陽中心部の熱、密度が上昇し、次第に明るくなる。（恒星進化論）	

氷床無し	

1.0	  Sin	  (緯度)	  0.8	  部分凍結	

0.6	  0.4	  0.2	  0	  全球凍結	0.7	  	  	  	  	  	  	  0.8	  	  	  	  	  	  0.9	  	  	  	  	  1.0	  	  	  	  	  	  1.1	  	  	  	  	  1.2	  	  	  	  	  1.3	  	  	  	  	  1.4	  太陽の明るさ（現在を１とする）	

南北一次元エネルギーバランスモデルによる安定解	（現在の大気組成を仮定） North	  (1981)に加筆	

セーガンは、~40億年前の地球大気が強い温室効果を持っていたため、全球凍結を免れたと考えた。	
その後40億年間、 海が存在し続けたなら、	なんらかのメカニズムが地球大気組成を調整し、	~30%の太陽輝度の増加の影響を相殺する様に、	大気組成を変化させてきた事になる。	

海が凍結したり蒸発したりせずに存続し続ける為には、太陽輝度の増大を打ち消す様に、大気中のCO2が減少しなければならない。	

10	  二酸化炭素分圧（ ー ）	吧呂1	  10-­‐1	  10-­‐2	  10-­‐3	  10-­‐4	  4.5	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  3.5	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  2.5	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  1.5	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  0.5	  	  	  	  0	  時代（10億年前）	

Kasing(1992)を改変	

その様な自動制御メカニズムは、存在したか？	
存在したとすれば、どの様なメカニズムか？	

岩波「地球進化論」より	

しかし、CO2が大気中から一方的に固定され、O2が大気に一方的に放出されている訳ではない。	

そして、地表温度および大気中のCO2濃度が高まる程、化学風化速度も早くなる	

放出	

放出	

固定	

固定	

マントル	

10	  二酸化炭素分圧（ ー ）	吧
呂1	  10-­‐1	  10-­‐2	  10-­‐3	  10-­‐4	  4.5	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  3.5	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  2.5	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  1.5	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  0.5	  	  	  	  0	  時代（10億年前）	

Kasing(1992)を改変	

氷床無し	

1.0	  Sin	  (緯度)	  0.8	  部分凍結	

0.6	  0.4	  0.2	  0	  23	  	  	  	  8	  全球凍結	
0.7	  	  	  	  	  	  	  0.8	  	  	  	  	  	  0.9	  	  	  	  	  1.0	  	  	  	  	  	  1.1	  	  	  	  	  1.2	  	  	  	  	  1.3	  	  	  	  	  1.4	  太陽の明るさ（現在を１とする）	

南北一次元エネルギーバランスモデルによる安定解	（現在の大気組成を仮定） North	  (1981)に加筆	

何らかの理由でpCO2が１桁下がる	

化学風化再開しpCO2減少	

全球凍結からの脱出	

横軸をCO2とした	
全球凍結へ	
化学風化が停止し、pCO2が徐々に上昇	（田近、2000）	

全球平均温度（℃）	

CO2分圧（気圧）	

100	  

10-­‐2	  何らかの理由で	CO2濃度が減少	10-­‐4	  	  50	  

寒冷化	

全球凍結	

異常温暖化と	そこからの回復		  	  	  0	  -­‐50	  数10万年	 数100万年	

数10万年	

（田近、2000）	

超大陸の形成に伴なう火山活動の低下？	
生物の進化に伴なう炭素固定効率の増加？	
大気酸素レベルの上昇に伴なう風化効率の増加？	
（まだ、明らかにされていない）	

10	  二酸化
炭素分圧
（ ー ）	

吧呂1	  10-­‐1	  10-­‐2	  10-­‐3	  10-­‐4	  4.5	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  3.5	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  2.5	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  1.5	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  0.5	  	  	  	  0	  時代（10億年前）	

Kasing(1992)を改変	

• 地球表層の気候状態には、複数の安定モードが存在する。	
• 各安定モードは、（炭素循環などの）負のフィードバックで維持されている。	
• システムの境界条件（エネルギー供給速度、CO2供給速度、CO2固定速度など）がある敷居値を越えると、システムは不安定になり、環境モードは別のモードへと急激にジャンプする。	

顕生代の気候は、地球外要因で制御されたのか？	

20100223-­‐24森羅万象学校	

(from Veizer et al., 2000)	

(from Veizer et al., 2000)	

hap://www.ras.ucalgary.ca/CGPS/where/plan/plan_basic_big.gif	  （Shaviv	  and	  Veizer,	  2003)	  (Royer	  et	  al.,	  2004)	  (Royer	  et	  al.,	  2004)	  20100223-­‐24森羅万象学校	

モデル結果と古気候記録の比較	

参考	

古気候記録	  （ＭＷＰ‐ＬＩＡ）	

モデル結果	  （ＭＷＰ‐ＬＩＡ）	
20100223-­‐24森羅万象学校	

(Mann	  et	  al.,	  2009	  Science)	

Fig. 3. Estimated solar radiative forcing (top) and global surface temperature anomalies, from both GISS	

model simulations (29) and observations. One canonical view is that solar forcing provides a good match for	

the observations before 1800, volcanic forcing becomes important during the 19th century, and anthropogenic	

forcing begins dominating during the 20th century. [Figure courtesy of J. Lean.]	

Arctic Oscillation at Sea Level
during Winter (January throughMarch)	

Decadal difference:	

1989 to 1998 - 1979 to 1988 	

(red contours are +, blue are -, 2 mb, no 0)	

From: North Pacific Climate Variability 	

James E. Overland, PMEL 	Anne B. Hollowed, AFSC 	

Jennifer Miletta Adams and Nicholas A. Bond, JISAO	

Composite for positive and negative AO phases, 1979-1998 	

(same contours)	

Arctic Oscillation in the Zonal Wind at 300 mb during Winter (January through March)	

Decadal difference:	

1989 to 1998 - 1979 to 1988 	

(red contours are +, blue are -, 2 m/s, no 0)	

Composite for positive and negative AO phases, 1979-1998 	

(same contours)	

From: North Pacific Climate Variability 	

James E. Overland, PMEL 	Anne B. Hollowed, AFSC 	

Jennifer Miletta Adams and Nicholas A. Bond, JISAO	Timeseries of Three January-February North Pacific Indices 	

From: North Pacific Climate Variability 	

James E. Overland, PMEL 	Anne B. Hollowed, AFSC 	

Jennifer Miletta Adams and Nicholas A. Bond, JISAO	January-February Sea Level Pressure Climatology (1958-1997)	

From: North Pacific Climate Variability 	

James E. Overland, PMEL 	Anne B. Hollowed, AFSC 	

Jennifer Miletta Adams and Nicholas A. Bond, JISAO	

(Lean et al., 1992)	

参考文献	
Emile-­‐Geay	  et	  al.,	  2007:	  El	  Niño	  as	  a	  mediator	  of	  the	  solar	  inﬂuence	  on	  climate,	  Paleoceanography,	  Volume	  22,	  Issue	  3	  Hood,	  1999:	  Eﬀects	  of	  short-­‐term	  solar	  uv	  variability	  on	  the	  stratosphere,	  Journal	  of	  Atmospheric	  and	  Solar-­‐Terrestrial	  Physics,	  Volume	  61,	  Issue	  1-­‐2,	  pp.	  45-­‐51	  Shindell	  et	  al.,	  2001:	  Solar	  Forcing	  of	  Regional	  Climate	  Change	  During	  the	  Maunder	  Minimum,	  Science,	  Volume	  294,	  Issue	  5549,	  pp.	  2149-­‐2152	  Meehl	  et	  al.,	  2009:	  Amplifying	  the	  Paciﬁc	  Climate	  System	  Response	  to	  a	  Small	  11-­‐Year	  Solar	  Cycle	  Forcing,	  Science,	  Volume	  325,	  Issue	  5944,	  pp.	  1114	  Donarummo	  et	  al.,	  2002:	  Sun/dust	  correlaions	  and	  volcanic	  interference.,	  Geophysical	  Research	  Leaers,	  Volume	  29,	  Issue	  9,	  pp.	  75	  Carslaw	  et	  al.,	  2002:	  Cosmic	  Rays,	  Clouds,	  and	  Climate,	  Science,	  Volume	  298,	  Issue	  5599,	  pp.	  1732-­‐1737	  20100223-­‐24森羅万象学校	

Tajika	  and	  Matsui,	  Evoluion	  of	  terrestrial	  proto-­‐CO2	  atmosphere	  coupled	  with	  thermal	  history	  of	  the	  earth,	  Earth	  and	  Planetary	  Science	  Leaers	  (ISSN	  0012-­‐821X),	  vol.	  113,	  no.	  
1-­‐2,	  p.	  251-­‐266,	  1992	  Veizer	  et	  al.,	  Evidence	  for	  decoupling	  of	  atmospheric	  CO2	  and	  global	  climate	  during	  the	  Phanerozoic	  eon,	  Nature,	  Volume	  408,	  Issue	  6813,	  pp.	  698-­‐701,	  2000	  Shaviv	  and	  Veizer,	  Celesial	  driver	  of	  Phanerozoic	  climate,	  EGS	  -­‐	  AGU	  -­‐	  EUG	  Joint	  Assembly,	  Abstracts	  from	  the	  meeing	  held	  in	  Nice,	  France,	  6	  -­‐	  11	  April	  2003,	  	  Mann	  et	  al.,	  Global	  Signatures	  and	  Dynamical	  Origins	  of	  the	  Liale	  Ice	  Age	  and	  Medieval	  Climate	  Anomaly.,	  Science,	  Volume	  326,	  Issue	  5957,	  pp.	  1256-­‐	  (2009)	  Lean	  and	  Rind,	  How	  natural	  and	  anthropogenic	  inﬂuences	  alter	  global	  and	  regional	  surface	  temperatures:	  1889	  to	  2006,	  Geophysical	  Research	  Leaers,	  Volume	  35,	  Issue	  18,	  2008	  20100223-­‐24森羅万象学校