温室と氷室の地球

地球の気候の歴史（古気候）を通じて、その気候は温室地球と氷室地球という2つの主要な状態の間を変動してきました。^[1]どちらの気候状態も数百万年続き、はるかに短い氷河期や間氷期と混同してはいけません。氷河期や間氷期は氷室期間（氷河期として知られる）内で交互に発生し、100万年未満しか続かない傾向があります。^[2]地球の気候の歴史では、ヒューロニアン、クライオジェニアン、アンデス・サハラ（前期古生代としても知られる）、後期古生代、後期新生代氷河期の5つの氷室期が知られています。^[1]

古気候の変化に関係する主な要因は、二酸化炭素（CO ₂）やそれほど重要ではないがメタン（CH ₄ ）などの大気中の温室効果ガスの濃度、地球の軌道の変化、太陽定数の長期的な変化、およびプレート運動による海洋と造山運動の変化であると考えられています。^{[3]温室期と氷室期は、時間の経過とともにさまざまな空間スケールで生物の}適応とターンオーバーを直接的および間接的に強制することで、地球上の生命の進化に重要な役割を果たしてきました。^{[4] [5]}

「温室地球」とは、地球上のどこにも大陸氷河が存在しない期間のことである。 ^[6]さらに、二酸化炭素やその他の温室効果ガス（水蒸気やメタンなど）のレベルが高く、海面水温（SST）は熱帯地方の28℃（82.4℉）から極地方の0℃（32℉）までの範囲である。^[7]地球は、その歴史の約85％の間、温室状態にあった。^[6]

この状態は、金星で現在も起こっている暴走温室効果に対応する不可逆的な転換点である仮説上の暴走温室効果と混同されるべきではない。^[8] IPCCは、「金星に類似した『暴走温室効果』は、人為的活動によって引き起こされる可能性がほとんどないと思われる」と述べている。^[9]

地球の温室化がどのように起こるかについては、いくつかの理論がある。地質学的気候プロキシは、温室状態と高CO ₂レベルの間に強い相関関係があることを示している。^{[1]しかし、高CO} ₂レベルは、独立した要因としてではなく、地球の気候の指標として解釈されることを認識することが重要です。代わりに、海洋と大気の流れを変え^[10]、地球の大気によって吸収される太陽放射の正味量を増やすことによって、他の現象が地球の気候に影響を与える上で重要な役割を果たしている可能性があります。^[11]このような現象には、火山活動による温室効果ガス（CO ₂やCH ₄など）の放出につながる地殻変動が含まれますが、これに限定されません。 ^[12]火山は活動時に大量のCO ₂とメタンを大気中に放出し、温室効果を引き起こすのに十分な熱を閉じ込める可能性があります。地球上では、二酸化炭素（CO ₂）やメタン（CH ₄）などの温室効果ガスの大気濃度が高く、温室効果によって太陽エネルギーを大気中に閉じ込めています。天然ガスの主成分であるメタンは、現在の地球温暖化の4分の1以上を占めています。メタンは、大気中に放出されてから20年間でCO _2の80倍の地球温暖化係数を持つ恐ろしい汚染物質です。太陽定数の増加は、地球の大気に吸収される太陽エネルギーの正味量を増加させ、 ^{[11]地球の}傾斜角と離心率の変化は、地球の大気に吸収される太陽放射の正味量を増加させます。^[11]

地球は現在氷室状態にあり、両極に同時に氷床が存在している。^{[ 6]}気候プロキシは、温室効果ガスの濃度は地球が氷室状態にある間に低下する傾向があることを示している。 [13]同様に、氷室状態では地球の気温も低くなる。^[14]地球はその後、氷河期と間氷期の間を変動し、大陸氷床のサイズと分布は劇的に変動する。^[15]氷床の変動は、多くの陸上および海洋種の生息範囲と分布に影響を与える地域的な気候条件の変化をもたらす。^{[4] [5] [16]}数千年から数億年のスケールで、地球の気候は生命を維持できる範囲内で温暖な期間から寒冷な期間に移行してきた。顕生代には3つの氷河期（オルドビス紀、石炭紀、新生代）があり、それぞれ数千万年続き、中緯度で海面まで氷が沈んだ。これらの極寒の「氷室」期間中、海面は一般的に低く、大気中のCO2_レベルは低く、純光合成と炭素埋没は低く、海洋火山活動は、代替の「温室」期間中よりも低かった。顕生代の氷室期から温室期への移行は、生物危機または壊滅的な絶滅イベントと一致しており、複雑な生物圏と水圏のフィードバックを示している。^[39]

氷河期と間氷期は太陽と気候の変動に応じて交互に繰り返される傾向があり、最終的には地球は温室状態に戻ります。^[15]

地球の現在の氷河期は第四紀氷河期として知られ、約258万年前に始まった。^[17] しかし、南極には約3400万年前から氷床が存在していた。^[17]地球は現在、約11,800年前に始まった穏やかな間氷期にある。^{[17]地球はおそらく、13万年前から115,000年前に発生した}エーミアン期などの別の間氷期に移行し、その間にノルウェーのノースケープ州の森林や、ライン川とテムズ川のカバの証拠が観察される。^[16]地球は第四紀氷河期が終わるまで氷河期と間氷期の間を移行し続け、その後別の温室状態に入ると予想されている。

_低いCO2レベルと氷室状態の間には強い相関関係があることはよく知られています。 ^[18]しかし、それは大気中のCO2レベルの低下が氷室状態への移行の主な要因であることを意味するものではありません_。 [ ^{11] [18]}むしろ、それは他の太陽、地質、大気のプロセスが働いていることを示す指標である可能性があります。^{[18] [10] [11]}

過去の氷室状態の潜在的な要因としては、プレート運動や海洋の入り口の開閉などが挙げられる。^[19]これらは地球を氷室状態に導く上で重要な役割を果たしているようで、プレート運動によって冷たい深層水が輸送され、それが海洋表面に循環して両極の氷床の発達を助ける。^[7]プレート運動による海流の変化の例としては、3650万年前にオーストラリアと南極を隔てたタスマニア海峡の開放^{[20] [21]や、3280万年前に}南米と南極が分離してドレーク海峡が開放されたことなどがあり、^{[21]どちらも}南極氷床の発達を可能にしたと考えられている。約300万年から400万年前にパナマ地峡とインドネシア海路が閉鎖されたことも、地球の現在の氷室状態の一因となっている可能性がある。^[22]オルドビス紀氷河期 の要因として提案されているのは、陸上植物の進化である。このパラダイムでは、光合成バイオマスの急速な増加により、大気からCO _{2が徐々に除去され、代わりに}O ₂のレベルが増加し、地球の寒冷化が引き起こされた。^{[23]第四紀氷河期の要因として提案されているのは、}インド亜大陸とユーラシア大陸の衝突によるヒマラヤ山脈とチベット高原の形成である。^[17]このパラダイムでは、大陸の隆起により、大量の未風化珪酸塩岩CaSiOが発見された。
₃、CO _{2と反応して}CaCOを生成する。
₃（石灰）とSiO
₂（シリカ）。CaCO
₃最終的には海に運ばれ、プランクトンに取り込まれ、プランクトンが死んで海の底に沈み、大気からCO2が効果的に除去されました。_[ ^17]

氷室状態には「氷期」と「間氷期」があり、それぞれ氷床の形成や後退を引き起こします。氷期と間氷期の主な原因は、太陽の周りの地球の動きの変動です。^{[24]セルビアの地球物理学者}ミルティン・ミランコビッチによって発見され、現在ミランコビッチサイクルとして知られている天文学的な要素には、地球の軸の傾き、軌道の離心率（または軌道の形状）、地球の自転の歳差運動（またはふらつき）が含まれます。軸の傾きは、垂直軸上で41,000年ごとに21.5°から24.5°まで変動する傾向があります。この変化は実際に地球の季節性に影響を与えます。傾きが高いと太陽放射の変化が地球の特定の領域に頻繁に当たり、傾きが低いと世界中の季節がより均一になるからです。変化は氷床コアにも見られ、氷河期（氷床が最大限に伸びていた時期）には大気中の二酸化炭素濃度が低かったという証拠も含まれています。これはアルカリ性に関係する重炭酸イオンと炭酸イオンによる酸塩基平衡の増加または再分配によって生じたものと考えられます。氷床期には、間氷期、_つまり温暖な時期はわずか20%です。^{[24]モデルシミュレーションによると、現在の間氷期の気候状態は、}二酸化炭素排出により、北半球の完全な氷河融解を含め、少なくともあと10万年は続くと予想されています。 ^[25]

「スノーボール アース」は、地球の表面が完全に凍りつく温室地球の完全な反対です。ただし、スノーボール アースには、厳密には氷室状態のような大陸氷床はありません。「カンブリア紀下大氷河期」はそのような世界のホストであると主張されており、1964 年に科学者W. ブライアン ハーランドが低緯度に氷河の兆候を発見しました(ハーランドとラドウィック)。これは、地球がスノーボール アースになるルートに入ると、その状態から抜け出すことができないという「暴走スノーボール パラドックス」(一種のスノーボール効果) の考えにより、ハーランドにとって問題になりました。しかし、ジョセフ・キルシュヴィンク [de]は1992年にこのパラドックスの解決策を提示した。当時は大陸が低緯度と中緯度に密集していたため、熱帯地方に降り注ぐ大量の太陽エネルギーを吸収できる海水が少なく、また、より多くの陸地がより高い太陽エネルギーにさらされることで化学的風化が起こり、大気からCO _{2が除去されて降雨量も増加したと考えられる。この両方の条件により、大気中のCO 2}レベルが大幅に低下し、気温が下がり、氷のアルベド（入射する太陽放射の氷の反射率）が増加し、さらに地球寒冷化が進んだと考えられる（正のフィードバック）。これがスノーボールアース状態に入るメカニズムだったのかもしれない。キルシュヴィンクは、スノーボールアース状態から抜け出す方法は、再び二酸化炭素に関係している可能性があると説明した。考えられる説明としては、スノーボールアースの間、火山活動は停止せず、大気中のCO ₂が蓄積するというものが挙げられる。同時に、地球全体の氷が化学的風化（特に加水分解）を妨げ、大気からCO2を除去する。そのため、CO2_は大気_{中に蓄積する。大気中のCO2}の蓄積が閾値に達すると、気温が上昇して氷床が溶け始める。その結果、氷のアルベド効果が減少し、さらに氷床が減少し、スノーボールアースから脱出できるようになる。スノーボールアースの終わりには、火山活動と、その頃にはゆっくりと再開していた化学的風化との間の平衡「サーモスタット」が回復する前に、_CO2大気中の二酸化炭素が十分に蓄積され、気温が最高60℃に達し、地球は一時的に湿潤温室状態になった。スノーボールアースと同じ地質時代（それがスノーボールアースの原因か結果かは議論されている）に、大酸素化イベント（GOE）が発生していた。カンブリア爆発として知られるこのイベントは、人口の多い二細胞生物の始まりと、多細胞生物のより大きな多様性と移動性を生み出した。^{[26]しかし、一部の生物学者は、}光合成生物は太陽光なしで何メートルもの氷の下では生き残れないため、完全なスノーボールアースは起こり得なかったと主張している。しかし、南極の数メートルの氷を太陽光が貫通することが観察されている^[要出典]。ほとんどの科学者^{[要出典]は現在、「硬い」スノーボールアース、つまり完全に氷で覆われた地球はおそらく不可能であると考えている。しかし、}赤道近くに開口部がある「スラッシュボールアース」は可能だと考えられている。

最近の研究により、スノーボールアースの考えは再び複雑化している可能性がある。2011年10月、フランスの研究者チームは、前回の「スノーボールアース」の時の二酸化炭素濃度は当初の予測よりも低かった可能性があると発表した。これは、地球がどのようにしてその状態から抜け出したのか、スノーボールアースとスラッシュボールアースのどちらが発生したのかを解明する上で課題となっている。^[27]

始新世は5600万年前から3390万年前まで続き、1億年間で地球の気温が最も高かった時期であった。^{[28]しかし、「超温室」期は始新世後期までに氷室期に変わった。この変化は}_CO2の減少が原因と考えられているが、正のフィードバックのメカニズムが寒冷化に寄与した可能性もある。

植物が存在した氷室期から温室期への移行に関する最も優れた記録は、約3億年前に起きたペルム 紀のものである。4000万年前に大きな移行が起こり、地球は熱帯雨林が熱帯地方を覆う湿潤で氷の多い惑星から、ほとんど生きられないほど暑く乾燥し風が強い場所へと変化した。この時代を研究したカリフォルニア大学デービス校のイザベル・P・モンタニェス教授は、気候が「非常に不安定」で「二酸化炭素の増減が特徴的」であったことを発見した。^[29]

始新世から漸新世への移行は最も遅く、約3400万年前に起こった。その結果、地球は急速に寒冷化し、南極は氷河期に入り、一連の生物絶滅が起きた。この時期に関連する最も劇的な種の入れ替わりは、ヨーロッパの樹上性および葉食性の哺乳類種がアジアからの渡り性種に取って代わられたグラン・クピュール期である。 ^[30]

古気候学は、地質学的時間にわたる温室および氷室状態の歴史を理解しようとする科学の一分野です。氷床コア、年輪年代学、海洋および湖沼の 堆積物(年縞)、花粉学(古植物学)、同位体分析 (放射年代測定や安定同位体分析など)、およびその他の気候プロキシの研究により、科学者は地球の過去のエネルギー収支とその結果生じた気候のモデルを作成できます。ある研究によると、ペルム紀の大気中の二酸化炭素濃度は、今日のレベルに近い 250 ppmから最大 2,000 ppm の間を変動していました。 ^[29]湖沼堆積物の研究では、「温室」または「超温室」始新世は、深海と高緯度の表面温度が10℃上昇して太平洋のエルニーニョ南方振動が停止した後、 「恒久的なエルニーニョ状態」にあったことが示唆されている。^[31]暁新世-始新世温暖極大期の理論は、地球の無機炭素プールの炭素同位体組成が2.5ppm急激に減少したことに基づいていると示唆されている。^[32]この同位体の低下について提起された仮説は、メタンハイドレートの増加であるが、その引き金は謎のままである。大気中のメタンの増加は、強力だが短命な温室効果ガスであり、それほど強力ではない二酸化炭素の助けを借りて、地球の気温を6℃上昇させた。^[要出典]

• 温室時代は46億年前から24億年前まで続きました。
• ヒューロニアン氷河期– 24億年前から21億年前まで続いた氷河期
• 温室時代は21億年前から7億2000万年前まで続きました。
• クライオジェニアン- 7億2000万年前から6億3500万年前まで続いた氷河期で、地球全体が凍りついていた時期もあった。
• 温室時代は6億3500万年前から4億5000万年前まで続きました。
• アンデス・サハラ氷河期– 4億5000万年前から4億2000万年前まで続いた氷河期
• 温室時代は4億2000万年前から3億6000万年前まで続きました。
• 後期古生代氷河期– 3億6000万年前から2億6000万年前まで続いた氷河期
• 温室時代は2億6000万年前から3390万年前まで続きました。
• 後期新生代氷河期– 3,390万年前に始まった現在の氷河期

現在、地球は氷室気候状態にある。約3400万年前、南極で氷床が形成され始めたが、北極の氷床が形成され始めたのは200万年前だった。^[33]現在の氷室につながった可能性のあるプロセスには、ヒマラヤ山脈の発達や南米と南極の間のドレーク海峡の開通と関係がある可能性があるが、気候モデルのシミュレーションでは、ドレーク海峡の早期開通は限られた役割しか果たしておらず、その後のテチス海峡と中央アメリカ海路の狭窄の方が、観測された新生代の寒冷化を説明する上でより重要であることが示唆されている。^[34]科学者たちは、地球が次にどのような気候状態になるかを理解するために、過去の氷室と温室の遷移、およびその逆を比較しようとしてきた。

温室効果ガス濃度に対する人間の影響がなければ、次の気候状態は氷河期となるだろう。軌道力の予測される変化は、人為的な地球温暖化がなければ、次の氷河期は少なくとも今から5万年後に始まることを示唆している^[35]（ミランコビッチサイクルを参照）。しかし、現在も継続している人為的な温室効果ガス排出を考えると、次の気候状態は温室地球期となるだろう。^[33]永久氷は実際には地球の歴史上まれな現象であり、地球の歴史の約20％に影響を与えてきたアイスハウス効果と同時にのみ発生する。

• 気候史における期間と出来事のリスト