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トレーサー

南極アイスコアの安定同位体比解析
による周辺海域の温度復元
植村立

Uemura Ryu

1．はじめに大気中の二酸化炭素（CO2）濃度の上昇による気候変動の予測と対応は，人類にとって最重要課題の1 つである。しかし，地球の気候が維持・変化するメカニズムそのものは，明確には理解されてはいな
い。気候は，大気圏，水圏，地圏，生命圏といった複数の構成要素とそれらの相互作用によって決まる複雑なシステムであり，この複雑性が理解を困難にしているといえる。当然，地球に対して条件を変えた自然科学的な実験を行うこともできない。そこで，実際に起こっていた大規模な気候変動の実態を定量的に把握することがメカニズムの理解には必須であるといえる。
地質学的な時間スケールにおける一番

最近

写真 1

アイスコア

南極ドームふじで掘削された深度 2,800 m 付近のアイスコア。直径は約9 cm（国立極地研究所提供）の大規模な気候変動は，氷期・間氷期サイクルと呼ばさて，前述のように南極の気温変動と CO2 濃度

れ，約 10 万年周期で大きな気温変動があったことには良い相関があるものの，両者の変動には明らかが知られている。

な不一致があることも知られている。このような不氷期・間氷期サイクルでは南極の気温変動は CO2一致の原因が南極特有の気温変動によるものなの濃度と似た変動パターンを示すことが知られておか？あるいは，CO2 による温室効果以外の要因の重り，多くの書籍等で紹介されている。例えば，地球要性を示唆しているのだろうか？このような疑問に温暖化を訴えた映画や書籍として有名なアル・ゴア

答えるためには，長期間の CO2 変動と比較可能なの「不都合な真実」でも，氷期サイクルにおける南南極以外の地域の温度変動データが必要である。

極の気温変動と CO2 濃度が類似していることを示

南極を取り囲む広大な海洋（南大洋）は，地球全して，CO2 濃度の増加と気温上昇がリンクしている

体の大気中 CO2 濃度に重大な影響を与えているとことを訴えている。

考えられている。様々な研究で，南大洋の炭素循環

このような，過去数十万年間にわたる気温と CO2
濃度変動データは南極で採取されたアイスコアからと海水温が大気中の CO2 濃度を調整する重要なメカニズムであることが示唆されてきた 1）。

復元されている。アイスコアとは氷床や氷河を掘削

そこで，筆者らの研究グループは南極のドームふして得られる円柱状の試料のことで，過去の気候変じで掘削されたアイスコアを用いて，過去 72 万年動に関わる大気成分等をタイムカプセルのように保間にわたる南極周辺海域の温度変動を定量的に復元存している過去の氷である（写真 1）。

することを試みた（図 1）。南極の気温だけでなく，

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0˚

δD[‰]

30

˚E0˚W

3d-excess

60

˚E

˚W60

ドームふじ

δ18O[‰]

90˚W90˚E

海水12120˚ E0˚ W
150˚W0˚E15180˚

南極

図 1 南極ドームふじアイスコアとその水蒸気起源海域（水色）

図2

丸い点は海底堆積物コアの掘削地点

地球の図は中低緯度の海洋で蒸発した水蒸気が南極に到達するまでに同位体比が低くなることを模式的に示している

水素と酸素同位体比の変動の模式図

周辺海域の水温も復元したデータとしては，これま

今回の研究では，雪として凝結した南極の気温にでの最長であった 42 万年間のデータを大きく延長

加えて，降雪をもたらした水分子が蒸発した海域のし CO2 と南極気温変動の不一致の原因を明らかに温度も推定した。この「蒸発した海域」というのは，した 。本稿では，この研究成果を中心に，背景と「雪をもたらした水分子が蒸発した海域」のことで安定同位体比を用いた気温復元を行う手法の原理とある（図 1 の水色部分の海域）。この解析は，水分アイスコアの解析結果について紹介したい。

子から測定できる酸素と水素の同位体比を両方組み2）合わせることで可能になる。
なぜ降水の同位体比から蒸発時の物理情報が推定2．同位体比を用いた気候復元の原理できるのだろうか？地球上の降水のδ18O とδD は極域の氷床から得られるアイスコアには温室効果

傾き 8 程度の直線に乗ることが知られている（図 2）。

ガスやエアロゾル等の様々な環境指標が保存されてこれは通常の降水過程においては，同位体効果が主いる。気温は気候変動の基礎情報であるが，物質でとして飽和水蒸気圧の違いに起因し，δ18O とδDはない気温を定量的に復元することは容易ではない。

が約 1 対 8 の割合で変動するからである。一方，蒸気温を復元する一般的な指標としては，水の分子発時には分子拡散の影響がこの傾きを小さくする効を構成する酸素と水素の安定同位体比が用いられる果がある（図 2）。したがって，傾き 8 の切片の値ことが多い。酸素・水素安定同位体比（δ O，δD）（d-excess と呼ばれる）は，降雪の起源となった水は，標準物質に対する相対的な差を記号δ（デルタ）分子が蒸発した海洋表面の海水温や相対湿度を反映を用いて，‰（パーミル）という単位で示す。δ値

すると考えられる。

18は小さいほど重い同位体（ O や D）の存在比が少18このような 2 種類の同位体の物性の違いを利用すなくなることを示している。アイスコアは過去の雪ることで，複数の仮定は必要なものの，2 種類の気が降り積もったものなので，氷のδ18O は過去の降温（南極と水蒸気起源の海面水温）を計算して推定水（雪）のδ18O そのものを反映している。

することができる。今回の研究では，蒸発と降水プ

降水のδ O 値は，水分子の物性の違いによってロセスを考慮した同位体モデル 3）を用いることで，変動する。重い水分子（HH18O）と軽い水分子（HH16O）

δ 18O とδD 値から，南極の気温と降雪をもたらしでは，飽和水蒸気圧が異なる。この違いにより，た水蒸気起源の海面水温の 2 成分を推定した。

18HH O は HH O よりも蒸発しにくく，凝結しやすい。
1816

例えば，気温が低くなるにつれて飽和水蒸気圧は低くなるので，南極には軽い分子しかたどり着けなく3．アイスコアに保存された 72 万年間の気候変動なり，南極の雪のδ18O 値は小さくなる（図 2）。

本研究 2）では，試料は国立極地研究所を中心としIsotope News2019 年 4 月号

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た研究グループが南極氷床のドームふじ基地で掘削

この水温復元の妥当性を検証するために，他の様々した第二期ドームふじアイスコアを用いた（写真 1

な研究で復元された水温変動データとの比較を行っと図 1）。このアイスコアは南極氷床を底面まで掘た。具体的には，周辺海域の 17 地点（図 1 の白丸）削して得たもので，全長は 3,035 m に及び，エアロで掘削された海底堆積物に含まれる有機物の不飽和ゾル等様々な環境指標についての分析と研究が現在度や有孔虫の同位体等から推定されたデータを用いも続いている。本稿で紹介する成果は，このドームた。多数の研究例を平均化した海水温変動（図 3 のふじアイスコアの 2,400 ｍよりも深い部分について，黒線）は，本研究の復元値（図 3 の青線）と変動の氷を 10 cm ごとに切断して，水のδ O とδD 値を分定量的な値だけでなくパターンもよく一致してい析した結果に基づいている。

る。このことは，今回のアイスコアによる復元がこ18の海域の平均水温を反映しているという解釈を強く前述の解析手法をこの同位体比データに適用する支持していることで，過去 72 万年間にわたる周辺海域の海水温変動を復元することができた（図 3 の青線）。図中

それでは，この周辺海域の海水温変動データは大の変動は，現代（過去 2 千年の平均値）の平均水温気中の CO2 濃度変動とどのような関係にあるのだからの差で示しているので 2 万年前付近の− 5 といろうか？アイスコアに気泡として保存された過去のう数値は現代の平均値よりも 5 ℃低いということを大気を分析して得られた CO2 濃度データ（図 4A の示している。

赤線）は寒冷な氷期と温暖な間氷期に対応して，180 ppm から 280 ppm の濃度範囲で周期的な変動を平均海面水温の誤差
平均海面水温アイスコアから復元した海面水温

現在からの水温の差 (°C)

42している。このデータに復元した周辺海域の海水温（図 4A の青線）を重ねると，大気中の CO2 濃度の変動と極めて高い相関があることが分かった。この

0結果は，南大洋の海水温と大気 CO2 濃度の密接な-2関係を示しており，海水温に関連する海洋環境の変-4動が大気 CO2 濃度を調整する重要な役割を持って-6いるという仮説を支持する証拠といえる。

-8

前述のように，南極の気温変動は CO2 濃度と似0102030

年代

4050（万年前)6070た変動パターンを示すことが知られており，本研究で復元した南極ドームふじの気温（図 4B の黒線）も，

暖

寒周辺海域の水温二酸化炭素濃度

A2245-2215-4185

アイスコアの水素同位体比（‰）-6190305275

0-400335

南極の気温の指標二酸化炭素濃度

B-420335305
275
245-440

215-460

年平均日射量温度差

C185-218501802

1750102030

年代

40(万年前)5060704

南極の方が寒冷4万年周期

4二酸化炭素濃度
温度差（海水温－南極気温）
（ppm）

寒6

南極の年平均日射量（W m-2）暖CO2 濃度と似た変動を示している。しかし，両者の二酸化炭素濃度
（ppm）

地軸の傾き

水蒸気起源海域の海水温（℃、現在をゼロとした差）

図 3 アイスコアから復元した水温と海底堆積物コアから復元した水温変動の比較

図 4 左図：地球の自転軸傾斜角。右図：A）南極周辺海域の水温（青線，本研究）と大気中の二酸化炭素濃度（赤線，複数のアイスコアのデータ），B）南極の気温（黒線，本研究）と二酸化炭素濃度（赤線），C）周辺海域と南極の温度差（緑線，本研究）と南極の年平均日射量（黄線）

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間には，温暖期から寒冷期に移行する時期を中心とで南極と周辺海域の温度復元を行った研究を紹介しして不一致がある。

た。数万年という時間スケールで，気候システムを詳しくみると，この不一致には周期性があること観測した場合に，大気中 CO2 濃度の変動は南極のがわかった。この周期性を示すために，周辺海域の気温よりも，周辺海域の水温と非常によく一致する海水温（図 4A の青線）と南極の気温（図 4B の黒線）こと等を実証的に示すことができた。南大洋の水温との差を示した（図 4C の緑線）。この周辺海水温が海洋循環や炭素循環の変動を通して，地球全体のと南極気温との差には，約 4 万年の周期性があるこ

CO2 濃度に大きな影響をあたえていることを示唆しとが分かる（図 4C）。本研究では，南極気温と周辺ているといえる。

海水温を同じアイスコアから復元できたことで，年なお，南極の気温と CO2 変動との関係については，代軸の誤差の影響を受けずにこのような解析が可能

我々の論文と前後して，2 つの説が発表された。そになったといえる。

れぞれ，中央海嶺の火山活動が活発化することでこれらのデータは，大気 CO2 濃度と南極気温変CO2 濃度が変動するとする説 5），と南極の気温復元動との不一致の原因が，南極特有の約 4 万年を周期が降雪の季節変動のバイアスを受けている 6）というとする気温変動の影響によるものであることを示唆説である。今後も，様々な視点からの研究が進むこしている。具体的なメカニズムとしては，約 4 万年とで，地球の気候が維持・変化するメカニズムの理周期で地球の自転軸傾斜角（地軸の傾き）が変動す解が進んでいくだろう。

ることで引き起こされる年平均日射量の変動（図 4Cの黄色線）が原因であると考えられる。

数万年という時間スケールは，長く感じるかもしれないが，寒冷な氷期の間には数十年という短期間自転軸傾斜角（現代は約 23°）は約 4 万年周期でで急激な気候変動が起こっていたことも知られてい± 1°程度変動する。この傾きの変動が年平均日射る。最近，著者らを含む国際共同研究グループは，量に与える影響は緯度によって異なり，極域と赤道複数のアイスコアの解析から，北極での海洋循環ので最も大きく，中緯度で最小となる。このことは，変化に起因する大気循環パターンの変動が短期間で傾斜角が 0°になった場合には極域には日射がほぼ南極に伝わっていることを明らかにした 7）。このよゼロになるいうことからも直感的に理解できる。つうな急激な気候変動に関するアジア地域の応答にはまり，南極の気温変動は極域特有の年平均日射量の未解明な点が多い。今後は，日本も含めたアジア地影響を強く受けているために，強い 4 万年周期を域も含めて気候変動の記録の解明を進めていく必要もっていると考えらえる。

がある。

やや混乱するかもしれないが，極域では年平均日射量の変動の影響は大きいものの，それだけが南極参 考 文 献の気温を直接的に決めているわけではない。本研究1） S i g m a n , e t a l . , N a t u r e , 4 6 6 , 4 7 - 5 5 , d o i :10.1038/nature09149（2010）
2）Uemura, et al., Nature Communications, 9: 961, DOI:
10.1038/s41467-018-03328-3（2018）3）Uemura, et al., Climate of the Past, 8, 1109-1125, DOI
10.5194/cp-8-1109-2012（2012）4）Laepple, et al., Nature 471, 91-94, doi:10.1038/nature09825（2011）5）Hasenclever, et al., Nature Communications, 8:15867,
DOI: 10.1038/ncomms15867（2017）6）Erb, et al., Nature Communications, 9:1361, DOI:
10.1038/s41467-018-03800-0（2018）7）Buizert, et al., Nature, 563, 681-685, doi.org/10.1038/
s41586-018-0727-5（2018）のデータを 4 万年周期の変動に注目して解析すると，年平均日射量の変化に対して，南極気温は遅れて応答していることが分かった。更に，この日射量に対する遅れは 40 万年の周期で最小の値をとる現象を発見した。この結果は，日射量が直接的に南極の気温変動を決めているという説 4）を否定する証拠といえる。地球規模の炭素循環と海洋循環にも 40 万年周期があることから，この現象には海洋環境の長期的な変動が関連していると考えられる。

4．まとめ
本稿では，アイスコアの同位体比を解析すること（琉球大学

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理学部）

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