気候の慣性

気候慣性または気候変動慣性とは、惑星の気候システムが特定の動的状態から逸脱するのに抵抗したり遅らせたりする現象です。これは、複雑なシステム内の安定性やその他のフィードバック効果を伴うことがあり、物質の物理的運動やエネルギー交換によって示される慣性が含まれます。この用語は、気候感度の周りの時間スケールを延長する一連の相互作用を包含し、大まかに説明するために使用される口語表現です。慣性は、気候変動の要因とそれに対する対応に関連付けられています。

化石燃料による炭素排出量の増加は、ここ数十年における地球の気候変化の主な慣性要因であり、 80億人の地球に住む人々の社会経済的 慣性とともに増加している。 ^{[1] [2]}多くのシステム構成要素は、この要因、つまり強制力に対して慣性反応を示している。地球表面温度（GST）の上昇率は、 1）地球表面、主に海洋の熱慣性、 ^{[3] [4]}および2）炭素循環フィードバック内の慣性動作によって特に抑制されてきた。^[5] その他のさまざまな生物地球化学的フィードバックがさらなる回復力に貢献している。 慣性反応後に海洋に蓄えられたエネルギーは、主に気候コミットメントと呼ばれる短期的な不可逆的な変化を決定する。^[6]

地球の慣性反応は、地球の生命の多様性と人類文明に、許容できる程度の地球の変化に適応するためのさらなる時間を与えるため重要である。しかし、いくつかの転換点に伴うような適応不可能な変化は、そのような危険な結果のリスクを早期に理解し、軽減することによってのみ回避できる可能性がある。 ^{[7] [8]} これは、排出量を急速に削減する措置が講じられない限り、慣性によって地表温暖化も大幅に遅れるためである。^{[9] [10]}統合評価モデリング の目的は、例えば 共有社会経済的経路（SSP）として要約されるが、これは、人間による変化の原動力の軌道における大きな慣性と不確実性を伴う地球システムリスクを調査することである。 ^[11]

古気候の記録は、地球の気候システムがさまざまな経路に沿って、複数の時間スケールで進化してきたことを示している。数千年にわたって持続する比較的安定した状態は、短期から長期の相対的不安定性の移行期間によって中断されてきた。^{[13] : 19–72} 気候感度と慣性に関する研究は、持続的な強制摂動がシステムを現在の完新世の比較的安定した状態から逸脱させる、または最初はそこから逸脱させる最も基本的な方法を定量化することに関係している。^{[14] [15]}

「時間定数」は、単純なシステムと複雑なシステムの両方におけるさまざまな慣性現象の一次（線形）影響を要約するための便利な測定基準です。これらは、入力のステップ変化に続いて完全な出力応答の63％が発生するまでの時間を定量化します。これらはデータから観察されるか、数値シミュレーションまたは集中システム解析から推定できます。気候科学では、これらの方法は地球のエネルギー循環、水循環、炭素循環などに適用できます。 ^[12] たとえば、海洋、氷圏、陸地、大気における熱の輸送と貯蔵は、集中熱解析の要素です。^{[16] [17] ：627}大気を介した放射強制 に対する応答時間は、通常、地表下の深さとともに長くなります。

慣性時間定数は強制的な変化のベースレートを示しますが、長い値はスムーズな経路に沿った長期的なシステム進化を保証するものではありません。地球の現在の状態には、さまざまなトリガーしきい値と遷移時間スケールを持つ多数の高次のティッピング要素が特定されています。^{[18] [19]}このようなイベントは、地域から地球規模までの気候やその他のシステムのより急速な変化とともに、内部エネルギーフローの非線形再配置 を引き起こす可能性があります。 ^{[13] : 10–15, 73–76}

_{大気中のCO2}濃度が段階的に倍増した場合の地球表面温度 (GST) の反応と、その結果生じる強制力は、平衡気候感度(ECS) として定義されます。ECS の反応は短期および長期にわたりますが、ECS に関連する主な時間定数は、ジュール・チャーニー、ジェームズ・ハンセンらによって、政策立案の指針となる有用な指標として特定されています。^{[10] [20]} RCP 、SSP、およびその他の同様のシナリオも、強制的な気候変動の速度をシミュレートするために研究者によって使用されています。定義上、ECS は、大気中の_CO2の段階的な変動に続いて、進行中の排出が海洋および陸上の炭素吸収源を相殺することを前提としています。^{[10] [21]}

ECSの応答時間はECSに比例し、主に最上層の混合層と隣接する下層の海洋層の熱慣性によって制御されます。^[16]気候モデル の結果に適合した主な時間定数は、ECSが低い場合は数十年、ECSが高い場合は1世紀に及ぶ範囲です。推定値間の変動の一部は、深海への熱輸送の取り扱い方の違いから生じます。^{[4] [10]}

熱慣性とは、熱伝達中に物体の温度応答で観察される遅延を指す用語です。熱慣性の大きい物体は、その体積熱容量のために大量のエネルギーを蓄えることができ、その熱伝達係数に従ってエネルギーを効果的に伝達することができます。熱慣性の影響は、プランク応答の強力な安定化フィードバックを含む、温度依存性のために多くの気候変動フィードバックを介して本質的に表れます。

地球上の海洋は地球最大の熱貯蔵庫であり、地球の気候を調整する機能を持ち、エネルギーの吸収源と供給源の両方の役割を果たしている。 ^{[3]海洋の熱慣性は、地球温暖化を数十年または数世紀遅らせる。これは}地球規模の気候モデル で考慮されており、海洋の熱量の測定によって確認されている。^{[7] [23]} 観測された過渡的気候感度は、浅い海の熱慣性の時間スケールに比例している。^[24]

CO2排出量が削減された後でも、氷床の融解は続き、何世紀にもわたって海面上昇をさらに加速させるでしょう。新しい地球システムの平衡に達するまで、深海、地表下の地層、厚い氷床への熱の輸送はゆっくりと進み続けます。_[ ^25]

永久凍土は、氷の多い物質と永久凍土の厚さによる熱慣性のため、地球温暖化への反応にも時間がかかります。^[26]

地球の炭素循環フィードバックには、温暖化を何世紀にもわたって引き延ばす不安定化をもたらす正のフィードバック（気候炭素フィードバックと呼ばれる）と、化石炭素排出に対する最終的な温暖化反応を制限する安定化をもたらす負のフィードバック（濃度炭素フィードバックと呼ばれる）がある。排出後の短期的な影響は非対称で、後者のメカニズムは約4倍大きく、^{[5] [28]}排出後の最初の数十年間は気候システムの慣性に大幅な減速をもたらす。^[9]

生態系によっては、気候変動の影響がすぐに現れる場合もあれば、反応に時間がかかる場合もあります。たとえば、サンゴの白化は1回の暖かい季節に起こる可能性がありますが、樹木は気候変動の下で数十年生き残ることができますが、再生することはできません。極端な気象現象の頻度の変化は、種の個々の反応時間に応じて、結果として生態系を混乱させる可能性があります。^[25]

IPCCは、気候システム、生態系、社会経済システムの慣性と不確実性は、安全のための余裕を考慮する必要があることを示唆していると結論付けました。したがって、気候変動による危険な干渉を回避するための戦略、目標、およびスケジュールを設定する必要があります。さらに、IPCCは2001年の報告書で、大気中のCO2濃度、気温、または海面の安定化は、次の要因によって影響を受けると結論付けました_。 [ ^25]

• 気候システムの慣性により、緩和措置が実施された後も一定期間気候変動が継続する。^{[8] [29]}
• 不可逆的な変化の可能性のある閾値の位置と、その付近のシステムの動作に関する不確実性。
• 緩和目標の採用とその達成の間に生じる時間差。

• 地球のエネルギー予算
• 惑星の限界
• システム理論とシステム分析