氷アルベドフィードバック

氷アルベドフィードバックは気候変動のフィードバックであり、氷冠、氷河、海氷の面積の変化が惑星のアルベドと表面温度を変化させます。氷は非常に反射率が高いため、開水面や他の陸地被覆よりもはるかに多くの太陽エネルギーを宇宙に反射します。^[1]これは地球上で発生し、太陽系外惑星でも発生する可能性があります。^[2]

高緯度地域は気温が最も低いため、多年雪、広範囲にわたる氷河、氷冠が存在する可能性が高く、氷床形成の可能性もある。^[3]しかし、温暖化が進むと、気温上昇によって氷に覆われた面積が減少し、露出した水域や陸地が増える。アルベドが低下するため、より多くの太陽エネルギーが吸収され、さらに温暖化が進み、氷圏の反射部分の損失が大きくなる。逆に、気温が低下すると氷床面積が増加し、アルベドが上昇して冷却が進み、さらなる氷の形成の可能性が高まる。^[4]

このように、氷とアルベドのフィードバックは地球規模の気候変動において重要な役割を果たしています。これは、約7億2000万年前のスノーボールアース状態の始まりと、約6億3000万年前のスノーボールアース状態の終わりの両方にとって重要でした。 ^[5]氷河期の退化は、おそらく塵の蓄積によるアルベドの段階的な暗化を伴っていました。^[6]地質学的にもっと最近の過去には、このフィードバックは更新世（約260万年前から約1万年前）の氷床の前進と後退の中心的な要因でした。 ^[7]最近では、人為的な温室効果ガス排出量の増加が世界中で多くの影響を及ぼしており、北極の海氷の減少は最も顕著なものの1つでした。海氷が縮小して太陽光の反射が減少するにつれて、^[8]北極は世界平均の最大4倍の速さで温暖化します。^[9]世界的に見ると、北極の数十年にわたる氷の減少と、最近の南極の海氷の減少は、1992年から2018年の間に、同時期に排出された温室効果ガス全体の10％に相当する温暖化影響を及ぼしました。^[10]

氷とアルベドのフィードバックは最も初期の気候モデルのいくつかに存在していたため、これらの観測された影響は数十年にわたってシミュレーションされてきました。^{[3] [11]}その結果、将来の温暖化の予測には、気候変動の他の要因とともに、将来の海氷の減少も含まれています。^[12] 太陽が最も強く輝き、反射面の不足が最大の影響を与える北極の夏の間に氷が継続的に失われると、約0.19 °C（0.34 °F）の地球温暖化を引き起こすと推定されています。^{[12] [13]また、}グリーンランドと南極の山岳氷河と氷床の両方の減少による温暖化の影響をモデルで推定しています。 しかし、それらの減少による温暖化は、海氷の減少による温暖化よりも一般的に小さく、完全に現れるまでには非常に長い時間がかかるでしょう。^{[12] [14]}

1950年代には、真鍋淑郎などの初期の気候学者が、地球のエネルギー収支における氷床の役割を説明する試みをすでに行っていました。^[11] 1969年には、ソ連のミハイル・イワノビッチ・ブディコと米国のウィリアム・D・セラーズの両名が、氷の反射率が地球の気候に大きな影響を与え、雪氷の両方向の変化が強力なフィードバックとして作用する可能性があることを示す最初のエネルギーバランス気候モデルのいくつかを提示した論文を発表しました。 ^{[1] [15] [16] [11]}

このプロセスは、1974年のレビューで気候モデリングの重要な部分であることがすぐに認識され、^[3] 1975年には、大気中のCO2濃度が2倍になった場合の影響（気候感度の重要な測定基準_）を説明するためにマナベとリチャード・T・ウェザラルドが使用した大循環モデルにも、すでに「積雪フィードバック」と呼ばれるものが組み込まれていました。^[17]氷アルベドフィードバックは、その後のモデルにも引き続き組み込まれています。^{[12]フィードバックの計算は、}更新世（約260万年前から約1万年前）などの古気候研究にも適用されています。^[7]

雪と氷のアルベドフィードバックは、地域の気温に大きな影響を与えます。特に、氷と海氷の存在により、北極と南極は、それらがない場合よりも寒くなります。[ ^4] その結果、最近の北極の海氷の減少は、北極増幅と呼ばれる現象で、1979年（北極の海氷の継続的な衛星測定が始まった年）以来、北極の温暖化が世界平均のほぼ4倍の速さで進んでいる主な要因の1つとなっています。 [ ^9]

モデル化研究によると、北極の強い増幅は、海氷の大幅な減少が発生した月にのみ発生し、シミュレーションされた氷の覆いが固定されている場合は大部分が消失することが示されている。^[8]逆に、南極の氷の覆いは安定しており、東南極の氷床の厚さにより海面から4km近く上昇するため、この大陸は過去70年間に純温暖化をほとんど経験しておらず、そのほとんどは西南極に集中している。^{[18] [19] [20]南極の氷の減少と}海面上昇への寄与は、むしろ南極海の温暖化によって圧倒的に引き起こされており、1970年から2017年の間にすべての海洋が吸収した総熱量の35〜43％を南極海が吸収した。^[21]

氷アルベドフィードバックも、地球の気温に小さいながらも顕著な影響を及ぼしています。1979年から2011年までの北極海の海氷減少は、1平方メートルあたり0.21ワット（W/m ²）の放射強制力を引き起こしたと推定されており、これは同じ期間のCO ₂ ^[13]の増加による放射強制力の4分の1に相当します。産業革命開始以降の温室効果ガス放射強制力の累積増加と比較すると、これは2019年の亜酸化窒素による放射強制力（0.21 W/m ^{2 ）の推定値、2019年の}メタンによる放射強制力（0.54 W/m ²）のほぼ半分、および累積CO ₂増加（2.16 W/m ²）の10％に相当します。^{[22] 1992年から2015年の間、この影響は}南極大陸周辺の海氷の増加によって部分的に相殺され、10年あたり約0.06 W/m ^{2の冷却効果をもたらしました。しかし、南極の海氷はその後も減少し始めており、1992年から2018年までの海氷の変化による影響は、人為的な}温室効果ガス排出量全体の10%に相当します。^[10]

北極海の海氷減少がより顕著になると予測されるにつれて、氷-アルベドフィードバックの気温への影響は将来的に強まると予想され、すべての気候変動シナリオでは2050年までに少なくとも1回は北極の夏の終わりの9月に海氷がほぼ完全に失われる（100万km2を下回る）^可能性があり、^[22]温室効果ガスの排出が継続的に加速するシナリオでは2035年頃には海氷がほぼ完全に失われる（100万km2を下回る）可能性が高い。^[24]

9月は北極の夏の終わりを示すため、現在の気候では海氷面積の最低値でもあり、北極の冬には毎年の回復プロセスが始まる。近い将来、9月に連続して氷のない月が発生する可能性は非常に低いと考えられているが、地球温暖化のレベルが上がるにつれてその頻度は増加するだろう。2018年の論文では、1.5℃（2.7℉）の温暖化では9月の氷のない月は40年に1回発生するが、2℃（3.6℉）では8年に1回、3℃（5.4℉）では1.5年に1回発生すると推定されている。^[25]これは、9月または夏の早い時期に北極の海氷が失われることは不可逆的ではなく、地球温暖化が逆転し始めるシナリオでは、その年間頻度も低下し始めることを意味する。そのため、9月は気候システムの転換点の1つとは見なされていない。^{[14] [23]}

注目すべきは、9月の海氷面積の減少はホッキョクグマのような北極の野生生物にとって重大な意味を持つ歴史的な出来事となるが、9月に北極が受け取る太陽エネルギーの総量はすでに非常に低いため、氷アルベドフィードバックへの影響は比較的限られていることである。一方、6月は北極の夏のピークであり、太陽エネルギーの移動が最も激しい時期であるため、6月の海氷面積が比較的わずかに減少しただけでも、はるかに大きな影響が出るだろう。^[13]

CMIP5モデルは、6 月から 9 月にかけて北極海の海氷が完全に消失すると、世界の気温が 0.19 °C (0.34 °F) 上昇し、範囲は 0.16～0.21 °C となり、地域的な気温は 1.5 °C (2.7 °F) 以上上昇すると推定しています。この推定には、氷アルベド フィードバック自体だけでなく、海氷の消失が減衰率フィードバックに与える影響、水蒸気濃度の変化、地域的な雲フィードバックなどの二次的影響も含まれています。^[12]これらの計算は既にすべての CMIP5 および CMIP6 モデルの一部であるため、^[26]すべての気候変動経路における温暖化予測にも含まれており、既存の予測に加えて「追加の」温暖化の原因となるものではありません。

地球温暖化が非常に高くなると、北極の冬の間に北極の海氷が再形成されなくなる可能性があります。氷のない夏とは異なり、この氷のない北極の冬は不可逆的な転換点となる可能性があります。それは約6.3 °C（11.3 °F）で発生する可能性が最も高いですが、早ければ4.5 °C（8.1 °F）または遅ければ8.7 °C（15.7 °F）で発生する可能性があります。^{[14] [23]}北極の海氷は丸1年間消えますが、氷アルベドフィードバックに影響を与えるのは、北極が太陽光を受ける3月から9月までの間だけです。海氷の総損失と1979年の状態との差は、1兆トンのCO2排出量に相当します_[ 13 ^]。これは、1850年から2019年までの累積排出量2.39兆トンの約40％に相当します^[22]。ただし、この影響の約4分の1は、現在の海氷の損失ですでに発生しています。現在と比較して、氷のない冬は、地球温暖化に0.6°C（1.1°F）の影響をもたらし、地域的な温暖化は0.6°C（1.1°F）から1.2°C（2.2°F）の間になります。^[23]

氷とアルベドのフィードバックは、山岳氷河、グリーンランド氷床、西南極氷床、東南極氷床など、地球表面の他の大きな氷塊でも発生します。ただし、それらの大規模な融解には何世紀、あるいは何千年もかかると予想されており、現在から2100年までの面積の損失はごくわずかです。そのため、気候変動モデルは21世紀の気候変動の予測に氷河を含めていない。氷河の消失をモデル化した実験では、グリーンランド氷床が完全に消失すると地球温暖化に0.13℃（0.23℉）（範囲0.04〜0.06℃）上昇し、西南極氷床が消失すると0.05℃（0.090℉）（0.04〜0.06℃）、山岳氷河が消失すると0.08℃（0.14℉）（0.07〜0.09℃）上昇すると示されている。^[12]これらの推定では、地球温暖化が平均1.5℃（2.7℉）にとどまると想定している。温室効果は対数的に増加するため、^{[27] : 80} 2020年代のわずかに低い温暖化レベルでは氷の減少による影響は大きくなりますが、温暖化がより高いレベルに向かって進むと影響は小さくなります。^[12]

東南極の氷床は、5～10℃（9.0～18.0℉）という非常に高い地球温暖化に達するまでは完全に消失するリスクはなく、その場合でも完全に融解するには最低でも1万年かかると予想されるため、このような評価ではほとんど考慮されない。もし完全に融解した場合、地球温度への最大の影響は約0.6℃（1.1℉）と予想される。グリーンランド氷床が完全に消失すると、北極の地域気温が0.5℃（0.90℉）～3℃（5.4℉）上昇する一方、南極の地域気温は、西南極氷床の消失後に1℃（1.8℉）、東南極氷床の消失後に2℃（3.6℉）上昇する可能性がある。^[23]

暴走した氷とアルベドのフィードバックは、スノーボールアースの形成にも重要でした。スノーボールアースとは、地球がほぼ完全に氷に覆われた非常に寒い気候状態のことです。古気候の証拠によると、スノーボールアースは約7億1700万年前のスターティアン氷河期から始まりました。それは約6億6000万年前まで続きましたが、そのわずか数百万年後に別のスノーボール期であるマリノア氷河期が続き、約6億3400万年前まで続きました。^[5]

地質学的証拠は、当時赤道近くに氷河があったことを示し、モデルは氷とアルベドのフィードバックが役割を果たしたことを示唆している。^[28] 氷が形成されるにつれて、入射する太陽放射の多くが宇宙に反射され、地球の気温が低下した。地球が完全に凍った固体の雪玉だったのか、それとも赤道に薄い水の帯がある雪だるまだったのかは依然として議論の余地があるが、氷とアルベドのフィードバックメカニズムはどちらの場合も重要である。^[29]

さらに、スノーボールアース期の終焉には氷アルベドフィードバックも関与していただろう。氷河融解は、侵食による塵が雪氷表面に層状に蓄積し、アルベドが大幅に低下した時点で始まったと示唆されている。これはおそらく中緯度地域で始まっただろう。中緯度地域は熱帯地方よりも寒かったが、降水量も少なく、塵の蓄積を埋めてアルベドを回復させる新雪も少なかっただろう。中緯度地域で十分な氷が失われると、地球全体の気温が上昇しただけでなく、アイソスタシーの回復によって最終的に火山活動が活発化し、以前は不可能だったCO2の蓄積につながっ_ただろう。^[6]

氷アルベドフィードバックの効果は、光吸収粒子の存在によって強化される可能性があります。空気中の粒子が雪や氷の表面に堆積して黒ずみ効果を引き起こし、粒子の濃度が高いほどアルベドの低下が大きくなります。アルベドが低いということは、より多くの太陽放射が吸収され、融解が加速されることを意味します。^[30] 黒ずみを引き起こす可能性のある粒子には、ブラックカーボンや鉱物ダストなどがあります。^{[31] [32]}氷河の雪藻や海氷の氷藻などの微生物の増殖も、雪を黒ずませる効果を引き起こす可能性があります。[33] 藻類による融解により、雪や氷の表面に液体の水が存在する可能性が高くなり、それがより多くの雪藻や氷藻の^増殖を刺激してアルベドの低下を引き起こし、正のフィードバックを形成します。^[30]

地球の気候は、太陽放射との相互作用とフィードバックプロセスに大きく影響されます。他の恒星の周りの太陽系外惑星も、恒星放射によって引き起こされるフィードバックプロセスを経験することが予想されます。このフィードバックプロセスは、地球の気候に影響を与えます。他の惑星の気候をモデル化する研究では、氷とアルベドのフィードバックは、近紫外線放射が高い恒星（恒星の分類を参照）を周回する地球型惑星ではるかに強くなることが示されています。^[2]

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