クラウドフィードバック

雲フィードバックは気候変動フィードバックの一種で、気候変動により雲の全体的な頻度、高さ、さまざまな種類の雲の相対的な割合が変化し、これらの変化が地球のエネルギーバランスに影響を及ぼします。^{[1] : 2224}雲はそれ自体ですでに気候システムの重要な部分であり、水蒸気で構成されており、温室効果ガスとして作用して温暖化に寄与します。同時に、雲は明るく太陽を反射するため、冷却を引き起こします。^[2]高度の低い雲はより強い冷却効果があり、高度の高い雲はより強い温暖化効果があります。全体として、雲は地球を雲がなかった場合よりも寒くします。^{[3] : 1022}

気候変動によって低層の雲がより広範囲に広がると、これらの雲は惑星のアルベドを増大させて冷却に寄与し、全体的な雲のフィードバックは負（温暖化を遅らせる）になります。しかし、気候変動によって雲が高く薄くなれば、雲の反射率が低下して大気中により多くの熱を閉じ込めるため、正の雲のフィードバックとなり、温暖化を加速します。[ ^2]これらのプロセスは、1980 年代以降のすべての主要な気候モデルで表現されています。^{[4] [5] [6]}観測と気候モデルの結果から、気候変動に対する全体的な雲のフィードバックが正であることが現在では高い信頼性で示されています。^{[7] : 95}

しかし、一部の雲の種類は観測が難しいため、気候モデルはそれらの雲に関するデータが少なく、それらの役割について異なる推定値を生成します。したがって、モデルは雲のフィードバックを非常に正に、またはわずかに正にシミュレートすることができ、これらの不一致が、気候モデルが過渡的な気候応答と気候感度に大きな違いをもたらす主な理由です。^{[3] : 975}特に、結合モデル相互比較プロジェクトフェーズ6（CMIP6）の少数のモデルは、平衡気候感度の推定値が高く、 IPCC第6次評価報告書（AR6）の発表前に注目を集めました。^{[8] [9]}これは、雲のフィードバックを非常に正に推定したためです。^{[10] [11]}これらの特定のモデルはすぐに観測と古気候の証拠の両方と矛盾することが判明し、^{[12] [13]}、AR6では代わりに、大多数のモデルとこの現実世界の証拠に基づいた、より現実的な推定値を使用しました。^{[7] : 93  [14]}

雲のフィードバックの正確な値を見つけることが他の要因に比べて難しい理由の1つは、温室効果ガスによる温暖化以外にも、人間が雲に大きく影響を及ぼしているからです。大気中の小さな硫酸塩粒子、つまりエアロゾルは、酸性雨の原因となる硫黄を多く含む大気汚染によって生成されますが、非常に反射率が高く、大気中の濃度が高ければ、地球の暗化として知られる可視光線の減少を引き起こします。^[15]これらの粒子は雲にさまざまな影響を与えますが、そのほとんどは雲の反射率を高めます。つまり、エアロゾルによって引き起こされる雲の変化は、負の雲フィードバックの証拠と混同される可能性があり、2つの影響を切り分けるのは困難でした。^[16]

雲は地球のエネルギー収支に2つの大きな影響を及ぼします。雲はアルベドが高いため太陽光からの短波放射を宇宙に反射しますが、雲に含まれる水蒸気は太陽光で加熱された地球の表面から放射される長波放射を吸収して再放射し、宇宙への放射を防ぎ、この熱エネルギーをより長く保持します。^{[3] : 1022}

気象学では、雲がない状態と比較して雲によって引き起こされる放射収支の差は、雲放射効果（CRE）として説明されます。 ^{[18]これは、雲}放射強制力（CRF）と呼ばれることもあります。^[19]ただし、雲の変化は通常、気候の外部強制力とは見なされないため、CREが最も一般的に使用される用語です。

大気圏上部では、次の式で表すことができます^[20]

${\displaystyle \Delta R_{TOA}=R_{平均}-R_{クリア}}$

雲の正味放射効果は、長波と短波の成分に分解できます。これは、正味放射が吸収された太陽放射から、次の式で示される長波放射を差し引いたものであるためです。

${\displaystyle \Delta R_{TOA}=\Delta Q_{abs}-\Delta OLR}$

右側の最初の項は短波雲効果 ( Q _abs ) であり、2 番目の項は長波効果 (OLR) です。

短波雲効果は次の式で計算されます。

${\displaystyle \Delta Q_{abs}=(S_{o}/4)\cdot (1-\alpha _{曇り})-(S_{o}/4)\cdot (1-\alpha _{晴れ})}$

ここで、S _oは太陽定数、∝ _{cloudy は}雲がある場合のアルベド、∝ clear_は晴れた日のアルベドです。

長波効果は次の式で計算されます。

${\displaystyle \Delta OLR=\sigma T_{z}^{4}-F_{clear}^{up}}$

ここで、σ はシュテファン・ボルツマン定数、T は指定された高さでの温度、F は晴天時の上向きのフラックスです。

これらを全て合わせると、最終的な方程式は次のようになります

${\displaystyle \Delta R_{TOA}=(S_{o}/4)\cdot ((1-\alpha _{曇り})-(1-\alpha _{晴れ}))-\sigma T_{z}^{4}+F_{晴れ}^{上}}$

乾燥した雲のない状況では、大気中の水蒸気が地球の温室効果の 67%を占めています。通常の雲が形成されるほどの水分がある場合、「自由」な水蒸気による温室効果は 50% に低下しますが、雲の中にある水蒸気は 25% に達し、正味の温室効果は 75% になります。^[21] 1990 年の推定によると、雲の存在により、放射される長波放射が約 31 W/m ²減少します。ただし、雲の存在により、地球全体のアルベドが 15% から 30% に増加し、地球が吸収する太陽放射の量が約 44 W/m ^{2減少します。したがって、正味の}冷却は約 13 W/m ²になります。^[22]雲が除去され、他の条件が同じであれば、地球はこれだけの冷却を失い、地球の気温が上昇します。^{[3] : 1022}

気候変動は、クラウジウス・クラペイロンの関係により、水蒸気フィードバックと呼ばれる形で大気中の水蒸気量を増加させます。 ^{[23]また、雲の高さ、大気全体の典型的な分布、}雲の微物理学、たとえば保持される水滴の量など、さまざまな雲の特性にも影響を与え、これらはすべて雲の放射強制力に影響します。^{[3] : 1023}これらの特性の違いにより、地球のエネルギー予算における雲の役割が変わります。雲フィードバックという名前は、気候変動、雲の特性、雲の放射強制力の間のこの関係を指しています。^{[1] : 2224}雲は、内部で発生する気候変動の大きさにも影響を与えます。 ^{[24] [25]}

気候モデルは、非常に長い間、雲や雲のプロセスを表現してきました。雲フィードバックは、1980 年代に設計された気候モデルではすでに標準的な機能でした。^{[4] [5] [6]}しかし、雲の物理は非常に複雑なので、モデルはさまざまな種類の雲をさまざまな方法で表現することが多く、モデル間のわずかな違いでさえ、気温や降水量の反応に大きな変化をもたらす可能性があります。 ^[5] 気候科学者は、この問題の解決に多大な労力を費やしています。これには、モデルが異なる条件下での雲のプロセスをシミュレートし、その出力を観測データと比較する雲フィードバックモデル相互比較プロジェクト (CFMIP) が含まれます。(AR6 WG1、Ch1、223)気候変動に関する政府間パネルが2021 年に第 6 次評価報告書 ( AR6 ) を発表したとき、雲フィードバックの強さに関する不確実性の範囲は、 2014 年のAR5の時点から 50% 小さくなりました。^{[7] : 95}

これは、亜熱帯海洋上の雲の挙動に関する理解が大幅に向上したために起こった。その結果、全体的な雲のフィードバックは正（温暖化に寄与）であるという確信が高まった。 ^{[7] : 95} AR6 の雲のフィードバック値は、温暖化 1 °C（1.8 °F）ごとに +0.42 [–0.10 ～ 0.94] W m–2 である。この推定値は、モデルと観測の両方を含む複数の証拠から導き出されたものである。^{[7] : 95}熱帯の高雲量フィードバックは、改善の余地が残っている主な領域である。総雲フィードバックが依然としてわずかに負である可能性がある唯一の方法は、このフィードバック、または南極海の雲の光学的深さフィードバックのいずれかが突然「非常に大きい」ことが判明した場合であり、その確率は 10% 未満であると考えられている。^{[3] : 975} 2024 年現在、 CALIPSO衛星からの最新の観測では、熱帯の雲フィードバックが非常に弱いことが示されている。^{[27] [17]}

これらの改善にもかかわらず、雲は最も理解されていない気候フィードバックであり、モデルが平衡気候感度（ECS）の値を異なると推定する主な理由です。ECSは、 CO _{2換算の温室効果ガス濃度が}倍増した場合の長期（数世紀）温暖化の推定値です。将来の排出量が低くない場合、21世紀の気温を決定する最も重要な要因にもなります。^{[7] : 95}一般に、現在のゴールドスタンダード気候モデルであるCMIP6は、前世代よりも大きな気候感度で動作しますが、これは主に、雲フィードバックがCMIP5よりも約20％プラスになっているためです。^{[7] : 93  [10]}

しかし、 CMIP6の雲フィードバックの中央値はCMIP5よりわずかに大きいだけです。^{[7] : 95}平均値がこれほど高いのは、いくつかの「ホット」モデルが他のモデルよりもはるかに強い雲フィードバックと高い感度を持っているからです。^{[7] : 93  [14]}これらのモデルの感度は5 °C（41 °F）で、それらの存在によりモデル感度の中央値はCMIP5の3.2 °C（37.8 °F）からCMIP6の3.7 °C（38.7 °F）に増加しました。^[11]これらのモデルの結果は、正確であればより速く、より深刻な温暖化を意味していたため、2019年に初めて公開されたときにかなりの注目を集めました。^{[8] [9]}これらの「ホット」モデルの出力は観測値と古気候の証拠の両方と一致しないことがすぐに判明したため、雲フィードバックのコンセンサスAR6値は平均モデル出力のみよりも小さくなります。 AR6における気候感度の最良の推定値は3℃（37℉）であり、これは観測結果や古気候の知見とよりよく一致している。^{[7] : 93  [12] [13]}

大気エアロゾル（空気中に浮遊する微粒子）は雲の形成と特性に影響を与え、それによって気候への影響も変わります。黒色炭素粒子などの一部のエアロゾルは雲を暗くして温暖化に寄与しますが、^[29]圧倒的に強い影響を及ぼしているのは硫酸塩です。硫酸塩は雲の水滴の数を増やし、雲の反射率を高めて気候をさらに冷却するのに役立ちます。これは直接的なエアロゾル効果として知られています。しかし、エアロゾルは液水経路にも間接的な影響を及ぼし、それを決定するには雲内の蒸発と凝結の計算量の多い連続計算が必要です。気候モデルでは一般的に、エアロゾルが液水経路を増加させ、雲の反射率がさらに高くなると想定されています。^[16]しかし、2010年代に行われた衛星観測では、エアロゾルが液水経路を減少させたことが示唆され、2018年にはより複雑な雲の微物理学を統合したモデルでこれが再現されました。^[30]しかし、2019年の研究では、以前の衛星観測では、最も厚く、最も水分を多く含む雲が自然に多くの雨を降らせ、より多くの粒子を放出することを考慮していなかったため、偏りがあったことが判明しました。同じ厚さの雲を比較すると、非常に強いエアロゾル冷却が見られました。^[31]

さらに、大規模な観測は湿度などの他の大気要因の変化によって混乱する可能性がある。例えば、1980年以降の大気質の改善により米国東海岸の雲の数が約20％減少したが、これはAMOCの減速に対する大気の反応によって引き起こされた相対湿度の上昇によって相殺されたことが判明した。^{[32]同様に、} 2014～2015年のバルダルブンガの噴火による硫酸塩を調べた最初の研究では、硫酸塩が液体の水の経路に変化を引き起こさないことが判明したが、^[33]後にこの発見は湿度の変化に逆らうことによって混乱していたことが示唆された。^[32]

交絡因子を避けるため、エアロゾル効果の観測の多くは船舶の航跡に焦点を当てているが、2020年以降の研究では、目に見える船舶の航跡は他の雲の代理としては不十分であり、そこから導き出された推定値はエアロゾルの冷却を200%も過大評価していることが判明した。^[34]同時に、他の研究では、船舶の航跡の大部分は衛星には「見えない」ことがわかった。つまり、以前の研究ではそれらを見落とすことでエアロゾルの冷却を過小評価していたことになる。^[35]最後に、2023年の研究では、すべての気候モデルが、大規模な噴火の外側で発生する火山からの硫黄排出を過小評価しており、その結果、特に北極の気候において人為的エアロゾルによる冷却を過大評価していたことが示されている。^[36]

エアロゾルが雲の冷却にどの程度影響するかを推定することは非常に重要です。なぜなら、空気中の硫酸エアロゾルの量はここ数十年で劇的な変化を遂げているからです。まず、硫酸エアロゾルは1950年代から1980年代にかけて大幅に増加しました。これは主に硫黄を多く含む石炭の広範な燃焼が原因で、可視光線の目に見える減少を引き起こし、地球の暗化と呼ばれました。^{[15] [38]}その後、1990年代以降は大幅に減少し始め、酸性雨やその他の大気汚染の影響に対処するための対策により、今後も減少し続けると予想されています。^[39]その結果、エアロゾルは人間の排出による温室効果の一部を相殺または「隠す」かなりの冷却効果をもたらしましたが、この効果も減少しており、気候変動の加速に寄与していました。^[40]

気候モデルはエアロゾルの存在と、その最近および将来の減少を予測に考慮しており、通常、2020年代にエアロゾルがもたらす冷却効果は、人為的に大気中に放出されたメタンによる温暖化と同程度であると推定しており、両方の同時減少は事実上お互いを相殺することになる。^[41]しかし、エアロゾルと雲の相互作用に関する既存の不確実性も同様にモデルに不確実性をもたらし、特に大気観測の歴史的記録が乏しい地域での気象現象の変化の予測に関しては不確実性が増す。^{[42] [38] [43] [44]}

2019年、ある研究ではラージエディシミュレーションモデルを用いて、二酸化炭素濃度が1,200 ppmを超えると（現在の濃度の約3倍、産業革命前の濃度の4倍以上）、赤道域の層積雲が _崩壊して散乱する可能性があると推定した。この研究では、これにより地球全体で約8°C（14°F）、亜熱帯で10°C（18°F）の表面温暖化が発生すると推定されており、これはそのような二酸化炭素濃度によってすでに引き起こされている少なくとも4°C（7.2°F）の上昇にさらに加わることになる_{。さらに、層積雲は二酸化炭素}濃度がはるかに低いレベルまで下がるまで再形成されないだろう。^{[45]この発見は、}暁新世-始新世温暖化極大期などの過去の異常に急速な温暖化のエピソードを説明するのに役立つ可能性があることが示唆されました。 ^[46] 2020年に、同じ著者らによるさらなる研究により、ラージエディシミュレーションでは、この転換点は太陽放射の修正では止められないことが明らかになりました。非常に高いCO2排出が長期間続くが、大規模な太陽放射の修正によって相殺されるという仮説的なシナリオでは、_層積雲の崩壊は単にCO2濃度が1,700 ppmに達するまで遅れるだけであり_、その時点でも約5°C（9.0°F）の避けられない温暖化が発生します。^[47]

しかし、ラージエディシミュレーションモデルは気候予測に使用される一般循環モデルよりも単純で小規模であり、沈降などの大気プロセスの表現が限られているため、この発見は現時点では推測の域を出ないと考えられている。^[48]他の科学者は、この研究で使用されたモデルは、小さな雲域の挙動をすべての雲層に外挿する非現実的なものであり、急速な遷移以外はシミュレートできないと述べ、これを「2つの設定があるノブ」に例える人もいる。^[49]さらに、世界が代表的濃度経路8.5に従う場合にのみ、 _{CO2濃度は1,200 ppmに達する。これは、可能な限り最高の温室効果ガス排出シナリオを表し、}石炭インフラの大規模な拡張を伴う。その場合、1,200 ppmは2100年を過ぎた直後に超えることになる。^[48]

• 雲の形成
• 地球のエネルギー予算
• 固定アンビル温度仮説