クラスレート銃仮説

クラスレートガン仮説は、第四紀の急速な温暖化の期間を説明するために提案されたものである。この仮説は、海洋の上層中層水のフラックスの変化が温度変動を引き起こし、それが大陸斜面上部に交互に蓄積し、時折メタンクラスレートを放出するというものである。メタンは二酸化炭素よりもはるかに強力な温室効果ガスであるため、これは地球の気温に即座に影響を及ぼしたと思われる。メタンの大気寿命は約12年であるにもかかわらず、メタンの地球温暖化係数は20年間で二酸化炭素の72倍、100年間で25倍（エアロゾル相互作用を考慮すると33倍）である。[1]さらに、これらの温暖化イベントがボンドサイクルや、ダンガード・^{オシュガー}間期などの個々の間期イベントを引き起こしたと提案されている。^[2]

この仮説は、ボリング・アレロード温暖化期とプレボレアル期には支持されたが、ダンスガード・オシュガー間氷期には支持されなかった。^[3]ただし、このテーマについてはまだ議論が続いている。^[4]これは千年単位の時間スケールでは重要かもしれないが、^{[5] [6]}近い将来の気候変動にはもはや関連がないと考えられている。IPCC第6次評価報告書では、「今世紀中に、陸上の永久凍土の深部と海底の包接化合物中のガス包接化合物（主にメタン）が、排出軌道からの検出可能な逸脱につながる可能性は非常に低い」と述べている。^[7]

メタンクラスレートは、一般にメタンハイドレートとしても知られ、結晶構造内に多量のメタンを含む水氷の一種である。地球の海底の堆積物の下には、潜在的に大規模なメタンクラスレートの鉱床が見つかっているが、様々な専門家による総資源量の推定値は桁違いに異なり、メタンクラスレート鉱床の規模（特に燃料資源として抽出できるかどうか）については疑問が残る。実際、2000年の時点で、深さ10センチメートルを超えるコアは3か所でしか見つかっておらず、特定の鉱床/場所の資源埋蔵量の推定は主に地震学に基づいている。^{[8] [9]}暴走する気候変動でメタンクラスレート鉱床から大量の天然ガスが突然放出されることは、過去、未来、そして現在の気候変動の原因となる可能性がある。

北極海では、クラスレートは高圧ではなく低温によって安定化された浅瀬に存在する可能性がある。これらは、メタンの流出を防ぐ凍った「蓋」である永久凍土によって安定化され、海底の表面よりはるかに近くでわずかに安定している可能性がある。いわゆる自己保存現象は、1980年代後半からロシアの地質学者によって研究されてきた。^[10]この準安定クラスレート状態は、最終氷期極大期の期間などのメタン放出イベントの基礎となる可能性がある。^[11] 2010年の研究では、東シベリア北極棚（ESAS）地域の準安定メタンクラスレートに基づいて、急激な気候温暖化の引き金となる可能性があると結論付けられている。 ^[12]

2000年に発表された研究では、この仮説的な効果が最終氷期極大期およびその終わりの温暖化の原因であると考えられていました。^[14]大気中のメタンが増加した期間は大陸棚崩壊の期間と一致していますが、^{[3] [4]}その後の研究では、明確な重水素/水素（D/H）同位体比から、湿地のメタン放出が大気中のメタン濃度の主な原因であることが示されました。 ^{[15] [16]}最終氷期退氷期には大規模な分解イベントがあり、ボリング・アレロッドの温暖化により、5000年以内にバレンツ海のメタンハイドレート鉱床全体が消失しましたが、これらのイベントはヤンガードリアス期の大規模な寒冷化期の始まりに対抗できませんでした。これは、メタンの大部分が海底鉱床から解放された後、海水中に留まり、大気中に放出される量は非常に少なかったことを示唆しています。^{[17] [18]}

2008年には、赤道永久凍土のメタンクラスレートが6億3000万年前の「スノーボールアース」の突然の温暖化に影響を与えた可能性があることが示唆されました。 ^[19]

メタンハイドレートの変動と関連している可能性がある他の出来事としては、ペルム紀-三畳紀絶滅イベントと暁新世-始新世温暖化極大期があります。

暁新世-始新世温暖極大期（PETM）は、別名「始新世温暖極大期 1（ETM1）」とも呼ばれ、以前は「始新世初期」または「暁新世後期温暖極大期」として知られていましたが、地質学的に短い期間で、5～8 °C の全球平均気温の上昇と海洋と大気への大量の炭素の流入を特徴としていました。^{[20] [21]この出来事は、}暁新世と始新世の地質時代の正確な時間的境界で始まり、現在では正式に体系化されています。^[22] PETM の正確な年代と期間は不明ですが、約 5,580 万年前（Ma）に発生し、約 20 万年（Ka）続きました。^{[23] [24]}

PETMは、温室世界で地球温暖化と炭素循環がどのように機能するかを理解するための最良の過去の類似例であると言えるでしょう。 ^{[21] [25] [26]}この期間には、世界中の炭素安定同位体（δ13C ）記録に顕著な負の偏差が見られます。より具体的には、海洋および陸上の炭酸塩と有機炭素の^13C / ^12C比の大幅な減少が数百の場所で発見され、相関関係が示されています。[ ^{21] [27] [28]過去に海洋と大気に大量の炭素が放出されたことを証明するPETM（} δ13C）偏差の大きさと時期、およびこの炭素の発生源は、現在も地球科学^の研究で大きな話題となっています。

過去数十年で明らかになったこと：PETM全体の地層断面は、温暖化と炭素排出以外にも多くの変化を明らかにしている。 ^[21]紀元の境界と一致して、多くの生物の化石記録は大きな転換を示している。海洋領域では、底生有孔虫の大量絶滅、亜熱帯渦鞭毛藻の世界的な拡大、プランクトン性有孔虫や石灰質ナノ化石を含む移動分類群の出現はすべて、PETMの初期段階で発生した。陸上では、多くの現代の哺乳類の目（霊長類を含む）がヨーロッパと北アメリカに突然出現した。^[29]

約2億5190万年前、ペルム紀-三畳紀（P-T、P-Tr）絶滅イベント（PTME、後期ペルム紀絶滅イベント^[48]、最新ペルム紀絶滅イベント^[49]、ペルム紀末期絶滅イベント^{[50] [51]}、口語では大絶滅とも呼ばれる）^{[52] [53]が}ペルム紀と三畳紀の 地質時代、そして古生代と中生代との境界を形成しました。^[54]これは地球上で知られている最も深刻な絶滅イベントであり^{[55] [56] 、}生物科の57% 、属の83%、海洋種の81% ^{[57] [58] [59] 、}陸生脊椎動物種の70%が絶滅しました。^{[60]これは}昆虫の最大の大量絶滅としても知られています。^{[61]これは}顕生代の「ビッグファイブ」大量絶滅の中で最大のものです。^[62] 1つから3つの明確な絶滅の波、または段階の証拠があります。^{[60] [63]}

科学的コンセンサスでは、絶滅の主な原因は、シベリア・トラップを形成した洪水玄武岩火山の噴火であり、^[64]二酸化硫黄と二酸化炭素が放出され、その結果、ユーキシニア（酸素が欠乏した硫黄の多い海）が発生し、^{[65] [66]}地球温度が上昇し、^{[67] [68] [69]}海洋が酸性化した [ ^{70] [71] [48]}。 大気中の二酸化炭素レベルは約400 ppmから2,500 ppmに上昇し、この期間中に約3,900から12,000ギガトンの炭素が海洋大気系に追加されました。^[67]噴火によって発火した石油と石炭の鉱床の燃焼による二酸化炭素の排出など、他のいくつかの要因が提案されています。^{[72] [73]}

メタンクラスレートのガス化によるメタン の放出、^[74]噴火で分散した鉱物によって栄養を与えられた新しいメタン生成微生物によるメタン放出、 ^{[75] [76] [77]}より長期かつ強力なエルニーニョ現象、^[78]アラグアイニャクレーターを形成し、地震によるメタンの放出を引き起こした地球外衝突^{[79] [80] [81]}および太陽放射への露出の増加によるオゾン層の破壊。^{[82] [83] [84]}

メタンクラスレートの堆積物のほとんどは堆積層中にあり、すぐには反応できないため^[101]、2007年のアーチャーによるモデル化では、それらから生じるメタン強制力は、温室効果全体の中ではマイナーな要素にとどまるはずであると示唆されている。^{[102]クラスレート堆積物は、}安定帯 の最深部、通常は海底下数百メートルから不安定化する。海水温の持続的な上昇は、最終的に堆積層を温め、最も浅く最も限界的なクラスレートの分解を引き起こすが、温度変化が海底のそこまで到達するには、通常1000年以上かかる。^[102]さらに、大西洋と太平洋の中緯度堆積物に関するその後の研究では、発生源に関係なく海底から放出されたメタンは、深さが430メートル（1,411フィート）を超えると大気に到達できないことがわかりました。一方、その地域の地質学的特性により、水深550メートル（1,804フィート）より浅い深さではハイドレートが存在することは不可能です。^{[103] [104]}

しかし、北極のメタンハイドレートの堆積物は他のものに比べてかなり浅いため、温暖化の影響をはるかに受けやすい可能性がある。カナダ沖のボーフォート海の大陸棚に閉じ込められたガス堆積物は、海底の小さな円錐形の丘陵地帯に位置し、海面下わずか290メートル（951フィート）で、メタンハイドレートの最も浅い既知の堆積物と考えられている。^[105]しかし、東シベリア北極棚の平均深さは45メートルであり、海底下の永久凍土層に閉じ込められた中にハイドレートの堆積物があると考えられている。^{[106] [107]}これは、温暖化により棚内の潜在的にタリックまたはピンゴのような特徴が、以前は凍結していたメタンのガス移動経路としても機能することを意味し、その可能性に多くの注目が集まっている。^{[108] [109] [110]} Shakhova et al. (2008) は、現在北極の海底永久凍土の下にメタンやメタンハイドレートとして閉じ込められている炭素の量は 1,400 ギガトン以上で、そのうち 5 ～ 10% は開いたタリックによって穴があく可能性があると推定しています。彼らの論文には当初、「予測されるハイドレート貯蔵量のうち最大 50 ギガトンが、いつでも突然放出される可能性が非常に高い」という一文が含まれていました。この規模の放出は、地球の大気中のメタン含有量を 12 倍に増加させ、^{[111] [112]}温室効果では 2008 年の_CO2レベルの 2 倍に相当します。

これが元々のクラスレートガン仮説のきっかけとなり、2008年に米国エネルギー省国立研究所システム^[113]と米国地質調査所の気候変動科学プログラムは両方とも、北極でのクラスレートの不安定化の可能性を、急激な気候変動の最も深刻な4つのシナリオの1つとして特定し、優先研究対象とした。USCCSPは、2008年12月下旬にこのリスクの重大性を推定する報告書を発表した。^[114]気候炭素循環結合モデル（GCM）に基づく元々の仮説の影響に関する2012年の研究では、メタンハイドレート（PETMの炭素量推定値に基づく、約2000 GtC）からのメタンが1回のパルスで1000倍（<1から1000 ppmv）増加すると評価され、80年以内に気温が6℃以上上昇すると結論付けられた。さらに、陸上生物圏に貯蔵されている炭素は25％未満減少し、特に熱帯地方の生態系と農業にとって危機的な状況になることを示唆しています。^[115] 2012年の別の文献評価では、東北極海棚のメタンハイドレートが潜在的な引き金であると特定されています。^[116]

地震活動が大量のメタン放出の原因となる可能性も考慮されている。2012年、米国東部の大陸棚斜面沿いで、温暖な海流の侵入に続いてメタンハイドレートを不安定にする地震観測があり、海底地滑りによってメタンが放出される可能性があることが示唆された。この斜面のメタンハイドレートの推定量は2.5ギガトン（PETMを引き起こすのに必要な量の約0.2％）で、メタンが大気圏に達するかどうかは不明である。しかし、研究の著者らは次のように警告している。「北大西洋西部の縁辺だけが海流の変化を経験する地域ではない可能性が高い。したがって、不安定化を引き起こすメタンハイドレートの推定量2.5ギガトンは、現在地球全体を不安定化させているメタンハイドレートのほんの一部にすぎない可能性がある。」^[117] ビル・マグワイアは、「グリーンランドの周辺では、あまり調査されていないが、海底地滑りの脅威があるかもしれない。グリーンランドはすでに隆起しており、その下の地殻と周辺の堆積物中の海底メタンハイドレートへの圧力が減っており、氷床下の活断層の負荷が軽減されるため、数十年以内に地震活動の増加が明らかになる可能性がある。これにより、地震やメタンハイドレートによる海底堆積物の不安定化の可能性が生じ、海底地滑りの形成や、おそらく北大西洋での津波につながる可能性がある」と指摘している。^[118]

2008年にシベリア北極圏で行われた調査では、年間数百万トン規模のメタン放出が示され、これは年間0.5百万トンという以前の推定値から大幅に増加した。^[120] 明らかに海底永久凍土の穿孔を通じてであり、^[110]一部の地域では濃度が通常レベルの100倍に達した。^{[121] [122]}過剰なメタンは、レナ川の流出口とラプテフ海と東シベリア海の境界の局所的なホットスポットで検出されている。当時、融解の一部は地質学的加熱の結果であると考えられていたが、より多くの融解は北に流れるシベリアの河川から放出される融解水の量が大幅に増加したためであると考えられていた。^[123]

2013 年までに、同じ研究チームは複数のソナー観測を使用して、海底永久凍土から海に放出される気泡の密度 (沸騰と呼ばれるプロセス) を定量化し、東シベリア北極棚 (ESAS) に沿って毎日 1 平方メートルあたり 100～630 mg のメタンが水柱に放出されていることを発見しました。また、嵐の際には風が大気と海の間のガス交換を加速するため、水柱のメタン濃度が劇的に低下することも発見しました。観測結果から、海底永久凍土からのメタンの放出は急激ではなくゆっくりと進行することが示唆されています。しかし、地球温暖化によって引き起こされる北極のサイクロンと、大気中の温室効果ガスのさらなる蓄積により、この発生源からのメタン放出がさらに加速する可能性があります。合計で、彼らの最新の推定値は年間 1,700 万トンに達しました。^[124]

しかし、この調査結果はすぐに疑問視された。なぜなら、この年間放出率は、ESASだけで観測された北極のメタン排出量の28％から75％を占めることを意味し、これは他の多くの研究と矛盾するからである。2020年1月、棚の堆積物から水柱に放出されたメタンが大気中に放出される速度が大幅に過大評価されていたことが判明し、北極での複数の船舶クルーズから得られた大気中のメタンフラックスの観測では、ESASから年間約302万トンのメタンしか放出されていないことが示されている。^[125] 2020年に発表されたモデリング研究では、現在の状況では、ESASからの年間メタン放出量は1000トン程度にとどまり、棚からの乱流放出のピークポテンシャルは260万～450万トンであると示唆されている。^[119]

2018年に行われた放射性炭素年代測定研究では、30メートル等深線を超えると、表層水中のメタンの約10％のみが古代の永久凍土またはメタンハイドレートに起因することが判明しました。著者らは、メタンの放出が大幅に加速されたとしても、大部分は大気に到達しないだろうと示唆しました。^[126]

ホンらは2017年に、スヴァールバル諸島に近いバレンツ海の浅い北極海におけるメタンの浸透について研究した。海底の温度は過去1世紀にわたって季節的に変動しており、-1.8℃（28.8℉）から4.8℃（40.6℉）の間で変動しているが、堆積物と水の界面の深さ約1.6メートルまでのメタンの放出にしか影響していない。ハイドレートは堆積物の上部60メートルまで安定しており、現在観測されている放出は海底のさらに深いところから発生している。彼らは、メタンフラックスの増加は数百年から数千年前に始まったと結論付けており、それについて「温暖化によるガスハイドレートの分解ではなく、深層貯留層の断続的な換気」と述べている。^[127]ホンは研究を要約して次のように述べている。

私たちの研究の結果は、この地域で発見された膨大な量の浸透がシステムの自然な状態の結果であることを示しています。メタンが地球システム内の他の重要な地質学的、化学的、生物学的プロセスとどのように相互作用するかを理解することは不可欠であり、私たちの科学コミュニティが重点的に取り組むべきことです。^[128]

クラウス・ウォールマンらによる2018年の研究では、8,000年前のスヴァールバル諸島でのハイドレートの分解は、アイソスタシー・リバウンド（氷河期の終焉に伴う大陸の隆起）によるものだと結論付けられている。その結果、水深は浅くなり、静水圧は低下したが、それ以上の温暖化は起こらなかった。この研究ではまた、季節的な底層水の温暖化により、今日のこの場所の堆積物は深さ約400メートルで不安定になることがわかったが、これが自然変動によるものか人為的温暖化によるものかは不明である。^[129]さらに、2017年に発表された別の論文では、スヴァールバル諸島でのガスハイドレートの分解から放出されたメタンのわずか0.07％だけが大気中に到達し、通常は風速が低いときのみに到達することが判明した。^[130] 2020年に行われたその後の研究では、スヴァールバル諸島の湧出液から放出されるメタンのごく一部しか大気中に到達せず、風速は現場の溶存メタン濃度よりも放出速度に大きな影響を与えることが確認された。^[131]

最後に、2017年に発表された論文では、スヴァールバル諸島の少なくとも1つの湧出域からのメタン排出量は、この栄養豊富な水域での植物プランクトンの活動が大幅に増加したことによる二酸化炭素の吸収増加によって十分に補われていることが示されています。植物プランクトンが吸収する二酸化炭素の1日の量は、放出されるメタン量の1,900倍であり、CO2吸収による負の（つまり間接的な冷却）_放射強制力は、メタン放出による温暖化の最大251倍でした。^[132]

2014年、米国地質調査所、ミシシッピ州立大学地球科学部、ブラウン大学地質科学部、地球資源技術研究所の科学者グループは、ハッテラス岬からジョージズバンクまでの米国北部大西洋の海洋大陸縁辺部に関する研究に基づき、海底から広範囲に渡ってメタンの漏出を発見したが、漏出の一部は1000年以上前のものであると示唆しただけで、具体的な日付は特定しなかった。^{[133] [134]} 2017年3月、USGSガスハイドレートプロジェクトによるメタ分析は次のように結論付けた。^{[135] [13]}

「私たちのレビューは、USGS、共著者であるロチェスター大学のジョン・ケスラー教授、そしてコミュニティの他の多くのグループによるほぼ10年にわたる独自の研究の集大成です」と、論文の主著者であり、USGSガスハイドレートプロジェクトを監督するUSGSの地球物理学者キャロリン・ルッペルは述べた。「ガスハイドレートが分解する場所を特定し、海と空気の境界面でのメタンフラックスを測定するのに何年も費やした後、私たちは、ハイドレート関連のメタンが大気中に放出される決定的な証拠が不足していると考えています。

2017年6月、トロムソ大学環境気候北極ガスハイドレートセンター（CAGE）の科学者らは、約1万5000年前の最終氷期に氷床が後退し、メタンハイドレートを不安定化させた爆発的な噴火によって形成された、幅約300メートル、深さ最大30メートルの海洋堆積クレーターが100以上あるとする研究を発表した。これは、ボリング・アレロード温暖化から数世紀後の約1万5000年前のことである。バレンツ海周辺のこれらの地域は、現在でもメタンを漏出させており、メタン貯蔵庫のある現存する隆起部も、最終的には同じ運命をたどる可能性がある。^[136]同年後半、北極評議会はSWIPA 2017報告書を発表し、「北極の温室効果ガスの排出源と吸収源は、依然としてデータと知識のギャップによって妨げられている」と警告した。^[137]

2018年、気候システムの転換点に焦点を当てた展望記事では、メタンハイドレートによる気候変動への影響は今世紀末までに「無視できるほど小さい」ものになるが、千年スケールでは0.4～0.5℃（0.72～0.90℉）に達する可能性があると示唆した。^[6] 2021年、IPCC第6次評価報告書では、メタンハイドレートは潜在的な転換点のリストに含まれなくなり、「クラスレートからのCH ₄排出が今後数世紀にわたって気候システムを大幅に温暖化させる可能性は非常に低い」と述べている。^[7]この報告書ではまた、2014年7月からロシアのシベリアにあるヤマル半島で発見されたガス放出クレーターと陸上のハイドレート堆積物を関連付けていたが、 ^[138]陸上のガスハイドレートは主に200メートル以下の深さで形成されるため、今後数世紀以内に大幅な反応が起こる可能性は排除できると指摘した。^[7]同様に、2022年の転換点の評価では、メタンハイドレートは転換点ではなく「閾値のないフィードバック」であると説明されました。^{[139] [140]}

• ジョン・バーンズのSF 小説『嵐の母』は、メタンクラスレートの放出によって引き起こされる壊滅的な気候変動の架空の例を示しています。
• イアン・アーヴァイン著『The Life Lottery』では、前例のない地震活動がメタンハイドレートの放出を引き起こし、地球の寒冷化を逆転させます。
• この仮説は、 PlayStation 2ゲーム「Death By Degrees」の実験の基礎となっています。
• スティーブン・バクスターの『トランセンデント』では、そのような危機を回避することが主要なストーリーラインとなっている。
• 作家デイビッド・ダンの小説『The Black Silent 』では、この考えが重要な科学的ポイントとして取り上げられています。
• アニメ『エルゴプロキシ』では、メタンハイドレートの連続爆発により、地球上の種の 85% が絶滅します。
• フレデリック・ポールの小説『時間の彼方』では、メタンクラスレートの埋蔵量を爆撃してガスを大気中に放出し、人類を滅ぼそうとする異星人が登場します。
• フランク・シェッツィングの小説『The Swarm』は、一見すると世界の海に関連した異常な出来事を描いています。
• チャールズ・ストロスの『ランドリー・ファイルズ』の世界では、意図的にクラスレート銃を作動させるシナリオは、ブルー・ハデスがベンシック条約の重大な違反に対して利用できる可能性のある報復戦略と見なされています。