北アフリカの気候サイクル

地球の軌道パラメータの変化によって引き起こされる日射量の変化が、地球全体のモンスーンパターンの強さの長期的な変動を制御する要因であるという考えは、19 世紀後半にルドルフ・スピタラーによって初めて提唱されました。^{[ 5 ]}この仮説は後に気象学者のジョン・クッツバッハによって1981 年に正式に提案され、検証されました。 ^{[ 6 ]}日射量が地球規模のモンスーンパターンに与える影響についてのクッツバッハの考えは、今日では長期的なモンスーンサイクルの根本的な原動力として広く受け入れられています。クッツバッハは自分の仮説に正式な名前を付けなかったため、ここでは 2001 年にラディマンによって提案された「軌道モンスーン仮説」と呼ばれています。^{[ 5 ]}

日射量とは、特定の期間に特定の表面積で受ける太陽放射量の尺度であり、軌道モンスーン仮説の根本的な要素です。熱容量の変動により、大陸は日射量が最も強い夏の間は周囲の海洋よりも早く温まり、日射量が最も弱い冬の間は周囲の海洋よりも早く冷えます。大陸と海洋の日射温度勾配によって生じる風のパターンは、モンスーンとして知られています。夏の日射量の値は、冬の値よりも地域の気候にとって重要です。これは、モンスーンの冬の段階は常に乾燥しているためです。したがって、モンスーン気候の動植物は、モンスーンの夏の段階に降る雨の量によって決まります。^{[ 5 ]}数万年から数十万年の期間にわたって、日射量は軌道パラメータに基づく非常に複雑なサイクルで変化します。この日射量の周期的な変化の結果、世界各地でモンスーン気候の強さが強弱を繰り返す。地質学的証拠から、北アフリカのモンスーンは特に日射量の周期的な変化の影響を受けやすく、モンスーンの強さの長期的な傾向は日射量の緩やかな変動と関連付けられることが分かっている。しかし、「緑のサハラ」から「砂漠のサハラ」への急激な変化は、日射量の周期的な変化だけでは完全には説明できない。

地球の分点歳差運動は、 2つの異なる段階に分けられます。最初の段階は、地球の自転軸の揺れによって生じ、軸歳差運動として知られています。一方、2番目の段階は、近点歳差運動または楕円歳差運動として知られ、太陽の周りを回る地球の楕円軌道のゆっくりとした回転に関連しています。これら2つの段階が組み合わさると、強い23,000年周期と弱い19,000年周期を持つ分点歳差運動が生じます。^{[ 5 ]}

北アフリカモンスーンの強さの変動は、より強い23,000年の歳差運動サイクルと強く関連していることがわかっています。^{[ 2 ] [ 7 ] [ 8 ]}歳差運動サイクルと北アフリカモンスーンの強さの間に関係があるのは、歳差運動が特定の半球で受ける日射量に影響を与えるためです。歳差運動サイクルが、北半球が近日点で太陽に向くように整列すると、北半球の日射量が最大になります。軌道モンスーン仮説によれば、この日射量の最大値は、北半球のモンスーン循環の強さを増大させます。スペクトルの反対側では、北半球が遠日点で太陽に向くと、日射量が最小になり、北アフリカモンスーンは最も弱くなります。

傾斜角、別名（軸）傾斜とは、地球の自転軸が地球の軌道面に垂直な線となす角度のことです。現在の地球の自転軸の傾斜角は約 23.5° です。しかし、地球の自転軸の傾斜角は、惑星全体に質量が不均一に分布していることや、太陽、月、惑星との重力相互作用により、長い期間にわたって変化します。これらの相互作用により、地球の自転軸の傾斜角は 41,000 年周期で 22.2° から 24.5° の間で変化します。^{[ 5 ]}

歳差運動によって駆動される日射サイクルの変調は、北アフリカモンスーンに対する傾斜角の主な影響です。北アフリカモンスーンの強度に対する傾斜角の影響の証拠は、東地中海の海洋コアからの風成作用の結果として生じる塵の堆積物の記録で発見されています。^{[ 2 ]}この証拠を説明するには複雑なフィードバック機構が必要です。なぜなら、日射に対する傾斜角の最も強い影響は高緯度で見られるからです。東地中海の風成塵堆積物で見つかった傾斜角トレーサーの存在に関する2つの可能なメカニズムが提案されています。その1つ目は、傾斜角が大きいときに、北半球の夏（北半球の夏）の間、南半球の極と赤道の間の温度勾配が大きくなることを示唆しています。この勾配の結果として、北アフリカモンスーンの強さが増します。北アフリカの気候記録に地軸傾斜の痕跡が存在する理由を説明する可能性のある2つ目の理論は、地軸傾斜が熱帯の緯度の変化と関連している可能性があるというものです。^{[ 2 ]}熱帯の緯度範囲は、熱赤道の最大移動経路によっておおよそ定義されます。これは、現在南回帰線と北回帰線の間にある領域です。しかし、地軸傾斜が変化すると、熱赤道の全体的な移動経路は北緯22.2°から南緯24.5°の間で変化します。この移動は、北アフリカ夏季モンスーン前線の位置に影響を与え、北アフリカモンスーンの強さの認識に影響を与える可能性があります。地軸傾斜が北アフリカモンスーンに与える影響のさらなる確認は、地球規模の完全結合大気・海洋・海氷気候モデルによって提供されており、歳差運動と地軸傾斜が組み合わさって日射フィードバックを通じて北アフリカの降水量を増加させる可能性があることが確認されています。^{[ 8 ]}

軌道離心率は、地球の軌道が完全な円からどれだけずれているかを示す尺度です。地球の軌道が完全な円であれば、離心率は 0 となり、離心率が 1 であれば放物線となります。地球には 10 万年と 40 万年の周期で発生する 2 つの離心率の周期があります。地球の離心率は長年にわたって 0.005 から 0.0607 の間で変動しており、現在、地球の軌道の離心率は約 0.0167 です。^{[ 5 ]}離心率の値は地球と太陽の距離に影響を与えますが、日射量に対する主な影響は、歳差運動周期の変調効果によるものです。たとえば、地球の軌道が非常に楕円形の場合、一方の半球では夏が暑く冬が寒くなり、平均よりも大きな年間日射量勾配に対応します。同時に、もう一方の半球では、年間日射量の勾配が平均よりも小さいため、夏は暖かく、冬は涼しくなるだろう。

傾斜角と同様に、離心率も北アフリカモンスーンの強さの主要な要因とは考えられていません。むしろ、離心率は歳差運動サイクルによって生じる日射量の最大値と最小値の振幅を調節します。離心率による歳差運動サイクルの調節を強く支持する証拠は、東地中海の風成塵堆積物に見られます。詳しく調べると、赤鉄鉱の流量が低い時期と高い時期が、10万年周期と40万年周期の両方の離心率サイクルに対応していることが分かります。東地中海の塵の記録における離心率サイクルのこの証拠は、離心率と歳差運動による日射量の最大値が一致する時期に、北アフリカモンスーン前線がより強く北上することを示していると考えられています。^{[ 2 ]}離心率が歳差運動サイクルに及ぼす調節効果は、大気・海洋・海氷を完全に結合した地球規模の気候モデルを使用しても示されています。^{[ 8 ]}

軌道モンスーン仮説の重要な問題点の1つは、気候記録を詳細に調べると、観測された北アフリカモンスーンの最大期と予測された最大期との間に1000年から2000年の遅れがあることが示されている点です。この問題は、軌道モンスーン仮説が、軌道強制による日射量の変化に対して気候システムが瞬時に反応すると仮定しているために発生します。しかし、この問題にはいくつかの解決策があります。最も妥当な解決策は、今日の気候との単純な類似例を通して示すことができます。現在、太陽放射のピークは6月21日に発生しますが、北アフリカの夏のモンスーンのピークは1か月後の7月に発生します。このような 1 か月の遅れは、モンスーン循環の最大値の約 1500 ～ 2000 年の遅れに相当するはずです。なぜなら、19,000 ～ 23,000 年の歳差運動サイクルにおける 7 月の日射量の最大値は、6 月の日射量の最大値から約 1500 ～ 2000 年後に発生するからです。観測されたデータの遅れについて、他に 2 つの説明が提案されています。1 つ目は、亜熱帯におけるモンスーンの発達は極地の氷床のゆっくりとした融解によって緩和されているというものです。したがって、極地の氷床が非常に小さくなり、年間のモンスーンの発達への影響が最小限になるまで、モンスーン パターンの完全な強さは観測されません。2 つ目の代替案は、氷河期に残された比較的冷たい熱帯の海洋が、最初は地球規模でモンスーンの発達を遅らせる可能性があるというものです。なぜなら、冷たい海洋は水分の供給源としてあまり強力ではないからです。^{[ 5 ]}

サプロペルは、重量比で2%以上の有機炭素を含む、暗色の有機物に富んだ海洋堆積物です。東地中海では、北アフリカ上空の歳差運動サイクルにおける日射量が最大となる時期と一致する海洋堆積物コアにサプロペルの層が見られます。 ^{[ 9 ] [ 10 ]}このような一致は、北アフリカモンスーンとの関連で説明できます。日射量が多い時期には、北アフリカモンスーン前線の強度が増し、北上するため、ナイル川流域の上流と中流域で非常に激しい雨が降ります。これらの雨はその後北上し、東地中海に流れ込み、そこで大量の栄養豊富な淡水が流入することで、急峻な垂直塩分勾配が生じます。その結果、熱塩対流が停止し、水柱は安定成層します。この安定した成層が形成されると、東地中海の底層水は急速に酸素が枯渇し、栄養豊富な表層水からの大量の浮遊性有機物がサプロペル層として保存される。 ^{[ 11 ]}サプロペルの形成がナイル川からの流量増加につながるという重要な証拠の一つは、サプロペルが間氷期と氷期の両方で発生しているという事実である。したがって、サプロペルの形成は、ナイル川からの淡水流量と関連しているはずであり、氷床の融解水とは関連していない。^{[ 12 ]}

サハラ砂漠に大きな湖が存在した証拠は、地質記録から見つけて解釈することができる。これらの湖は歳差運動の周期が日射量の最大値に近づくと満たされ、歳差運動の周期が日射量の最小値に近づくと干上がる。これらの古湖の中で最大だったのはメガチャド湖で、最盛期には水深173m、面積は約40万 km²であった^{。[ 13 ]}今日、かつて巨大だったこの湖の残骸はチャド湖として知られており、最大水深は11m、面積はわずか1,350km²である 。^古代のメガチャド湖の海岸線の衛星画像から、この湖は北東風と南西風という2つの異なる風系の下で存在していたことが明らかになった。北東風系は今日の風のパターンと一致しており、弱いモンスーンの流れの特徴である。一方、南西風系はより強いモンスーンの流れの特徴である。^{[ 13 ]}

北アフリカモンスーンに対する歳差運動制御のもう 1 つの重要な証拠は、熱帯大西洋の淡水珪藻の堆積物に見出すことができる。熱帯大西洋の海洋コアには、淡水珪藻Aulacoseira granulata ( Melosira granulataとも呼ばれる)の明確な層があることがわかっている。これらの層は、歳差運動による日射量の最大値から約 5000 ～ 6000 年遅れて 23,000 年周期で発生する。^{[ 5 ] [ 14 ]}これらの周期的な淡水珪藻の堆積物を説明するには、アフリカのサハラ地域の内陸部を見る必要がある。歳差運動周期の日射量が最大になる頃には、北アフリカモンスーンが最も強くなり、サハラ地域は大きなモンスーン湖に覆われる。その後、時間が経つにつれて日射量が最小になるにつれて、北アフリカモンスーンの弱体化によりこれらの湖は干上がり始める。湖が干上がると、淡水珪藻を含む薄い堆積物が露出します。最後に、冬に卓越する北東の風が吹くと、干上がった湖底の淡水珪藻の堆積物が塵となって巻き上げられ、数千キロメートル離れた熱帯大西洋に運ばれます。この一連の出来事から、淡水珪藻の堆積に 5000 ～ 6000 年遅れが生じる理由は明らかです。サハラ砂漠のモンスーン湖が干上がり、淡水珪藻の潜在的な供給源が露出する前に、北アフリカのモンスーンが十分に弱まる必要があるからです。^{[ 5 ]}淡水珪藻の堆積物で注意すべき重要な要素の 1 つは、種の同定です。たとえば、アフリカ西海岸のすぐ沖合にある海洋コアの中には、淡水湖と河川の珪藻種が混在しているものがあります。したがって、コアがサハラ砂漠の珪藻サイクルを正確に表すためには、河川流出の影響が最小限になるように海岸から十分に離れた熱帯大西洋の地域から採取する必要があります。^{[ 15 ]}

観測された東部赤道大西洋湧昇域の強さの変動は、歳差運動の周期によって制御される北アフリカモンスーンの周期を裏付けるためにも利用できる。歳差運動の周期中に北アフリカの日射量がピークに達すると、赤道大西洋上の東風貿易風はサハラ砂漠に向かって大きく偏向する。この偏向により、東部赤道大西洋の赤道湧昇域が弱まり、外洋域の水温が上昇する。一方、歳差運動の周期により北アフリカの日射量が最小となる場合、東風貿易風の偏向は比較的弱くなる。そのため、東部赤道大西洋の湧昇域は依然として強く、外洋域の水温は低くなる。^{[ 16 ]}東部赤道大西洋の湧昇が周期的に弱まるというこのパターンが存在するという証拠は、海洋堆積物コア中の表層性プランクトン生物の堆積物に見られる。このようなコアは、温暖水および冷水プランクトン種の相対的な存在量が23,000年の一定のリズムで変動し、23,000年の歳差運動による日射周期と一致することを示している。^{[ 5 ]}

アフリカ湿潤期は 14,800 年前から 5,500 年前の間に起こり、「緑のサハラ」が最後に存在した時代でした。アフリカ湿潤期のサハラの状況は、北アフリカの強いモンスーンによって支配されており、その結果、今日の状況と比較して年間降水量が多くなりました。^{[ 17 ]}降水量の増加に伴い、北アフリカの植生パターンは今日見られるものとは全く異なっていました。たとえば、サハラ地域の大部分は、ステップとしても知られる広大な草原で特徴付けられていました。一方、サハラの南にあるサヘル地域は、ほとんどがサバンナでした。 ^{[ 18 ]}今日、サハラ地域はほとんどが砂漠であり、サヘルはサバンナの草原の状況が特徴です。アフリカ湿潤期はまた、大きな湖、川、デルタからなる広大な水路網がサハラに存在していたことも特徴でした。 4つの最大の湖は、メガチャド湖、メガフェザン湖、アネット・ムイディル巨大湖、チョッツ巨大湖であった。この地域の大きな川には、セネガル川、ナイル川、サハビ川、クフラ川などがあった。これらの河川と湖沼系は、人間を含む多くの動物種がサハラ砂漠を越えて生息域を拡大することを可能にする回廊を提供した。^{[ 19 ]}

アフリカ湿潤期の開始と終了に関する地質学的証拠は、アフリカ湿潤期の開始と終了の両方が急激であったことを示唆している。実際、両方の出来事は数十年から数世紀の時間スケールで起こった可能性が高い。アフリカ湿潤期の開始と終了は、日射サイクルが現在よりも約 4.2% 高い値に達したときに発生した。しかし、日射サイクルの変化は、アフリカ湿潤期の開始と終了に見られるような急激な気候遷移を単独で引き起こすには緩やかすぎる。そのため、サハラの気候のこれらの急激な変化を説明するために、いくつかの非線形フィードバック機構が提案されている。検討されている最も一般的な非線形フィードバック機構の 1 つは、植生と大気の相互作用である。^{[ 19 ]}北アフリカ全域の植生と大気の相互作用と日射を調べるコンピューター モデルは、「緑のサハラ」と「砂漠のサハラ」の体制間の急激な遷移をシミュレートできることを示している。^{[ 1 ] [ 20 ]}したがって、これらのモデルの結果は、植生と日射量の閾値が存在する可能性を示唆しており、その閾値に達すると、サハラ地域は「緑のサハラ」から「砂漠のサハラ」へ、またその逆へと急速に移行する可能性がある。