北アフリカの気候サイクル

北アフリカの気候サイクルは、数百万年も遡る独特の歴史を持っています。サハラの周期的な気候パターンは、北アフリカモンスーンの強さの大きな変化によって特徴付けられます。北アフリカモンスーンが最も強いとき、年間降水量とそれに伴うサハラ地域の植生が増加し、一般に「緑のサハラ」と呼ばれる状態になります。比較的弱い北アフリカモンスーンの場合はその逆で、年間降水量と植生が減少し、サハラの気候サイクルの「砂漠のサハラ」と呼ばれる段階になります。^[1]

サハラ地域の気候の変動は、最も単純なレベルでは、地球の軌道パラメータの緩やかな変化による日射量の変化に起因すると考えられます。このパラメータには、ミランコビッチ理論によって提唱された春分点歳差、黄道傾斜、離心率が含まれます。^[2]春分点歳差は、「緑のサハラ」と「砂漠のサハラ」サイクルの形成において最も重要な軌道パラメータと見なされています。

2019年1月にMITがサイエンス・アドバンス誌に発表した論文では、約2万年ごとに湿潤から乾燥へのサイクルが起こると示されています。^{[3] [4]}

地球の軌道パラメータのシフトによって生じる日射量の変化が、地球全体のモンスーンパターンの強度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・シュ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 ジョン・クッツバッハによって1981年に正式に提唱され、検証されました。^[6]日射量が地球全体のモンスーンパターンに与える影響に関するクッツバッハの考えは、今日では長期的なモンスーン周期の根本的な要因として広く受け入れられています。クッツバッハは彼の仮説に正式な名前を付けたことはなく、そのため、ここでは2001年にラディマンによって提唱された「軌道モンスーン仮説」と呼ばれています。^[5]

日射量は、単に特定の期間に特定の表面積が受け取る太陽放射の量の尺度であり、軌道モンスーン仮説の背後にある基本的な要素です。熱容量の変動により、大陸は、日射が最も強い夏の間に周囲の海洋よりも速く温まり、日射が最も弱い冬の間に周囲の海洋よりも速く冷えます。大陸/海洋日射温度勾配から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、モンスーンの冬期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、モンスーンの夏期に降る雨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。この日射サイクルの結果、地球上のモンスーン気候の強さは増減します。広範囲にわたる地質学的証拠から、北アフリカのモンスーンは日射サイクル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の緩やかな変化と関連している可能性があることがわかります。しかし、「緑のサハラ」から「砂漠のサハラ」への急激な変化は、日射サイクルの長期的な変化だけでは完全には説明できません。

地球の春分点歳差運動は、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発生し、軸歳差運動として知られています。一方、2番目の段階は、遠心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年周期の春分点歳差運動が発生します。^[5]

北アフリカモンスーンの強さの変動は、23,000年の歳差運動周期の強さと強く関係していることがわかっている。^{[2] [7] [8]}歳差運動周期と北アフリカモンスーンの強さと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からである。歳差運動周期が近日点で北半球が太陽の方向を向くように整列している場合、北半球の日射量は最大になる。軌道モンスーン仮説によれば、この日射量の最大化により、北半球のモンスーン循環の強さが増す。スペクトルの反対の端では、遠日点で北半球が太陽の方向を向くと、日射量が最小となり、北アフリカモンスーンは最も弱くなる。

地球の自転軸の傾斜角は、地球の公転面に対して垂直な線と地球の自転軸がなす角度を指します。現在の地球の自転軸の傾斜角はおよそ23.5°です。しかし、地球全体の質量の不均一な分布や、太陽、月、惑星との重力の相互作用により、長い時間をかけて地球の自転軸の傾斜角は変化します。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、黄道傾斜が北アフリカモンスーンに及ぼす主な影響です。黄道傾斜が北アフリカモンスーンの強度に及ぼす影響の証拠は、東地中海の海洋コアからの風成プロセスの結果として生じる塵の堆積物の記録で見つかっています。^[2]この証拠は、黄道傾斜が日射に及ぼす最も強い影響が高緯度で見られることから、複雑なフィードバックメカニズムで説明する必要があります。東地中海の風成塵堆積物で見つかった黄道傾斜トレーサーの存在については、2つのメカニズムが提案されています。最初のメカニズムは、黄道傾斜が高い時期に、北半球の夏（北半球では夏）の両極と南半球の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、北アフリカモンスーンの強度が増します。北アフリカの気候記録に黄道傾斜の痕跡が見られる理由を説明する第 2 の理論は、黄道傾斜が熱帯地方の緯度の変化に関係している可能性を示唆している。^{[2]熱帯地方の緯度範囲は、}熱赤道の最大移動経路によって大まかに定義される。現在、熱赤道は南回帰線と北回帰線の間に位置する。しかし、黄道傾斜が変化すると、熱赤道の全体的な移動経路は北と南で 22.2° から 24.5° の間を移動する。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及ぼし、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る。黄道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、大気・海洋・海氷の完全結合全球気候モデルによって提供されており、歳差運動と黄道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る。^[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 1 であれば放物線になります。地球には 10 万年周期と 40 万年周期の 2 つの離心率サイクルがあります。長年にわたり、地球の離心率は 0.005 から 0.0607 の間で変化してきましたが、現在、地球の軌道の離心率はおよそ 0.0167 です。^[5]離心率の値は地球と太陽の距離に影響しますが、日射量に対する主な影響は、太陽の公転周期を調整する効果によるものです。たとえば、地球の軌道が楕円形の場合、一方の半球では夏は暑く、冬は寒くなります。これは、年間の日射量勾配が平均よりも大きいことに対応します。同時に、他の半球では年間日射量勾配が平均より小さいため、夏は暖かく、冬は涼しくなります。

黄道傾斜角と同様に、離心率は北アフリカモンスーンの強さの主な要因とは考えられていない。むしろ、離心率は歳差運動周期によって生じる日射量の最大と最小の振幅を調節する。東地中海の風成塵堆積物には、離心率による歳差運動周期の調節を強く裏付ける証拠が見られる。詳しく調べると、赤鉄鉱フラックスの低および高の期間は、10万年および40万年の離心率周期の両方に対応していることがわかる。東地中海の塵記録における離心率周期のこの証拠は、離心率と歳差運動による日射量の最大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進することを示していると考えられている。^[2]離心率が歳差運動周期に及ぼす調節効果は、大気・海洋・海氷の完全結合した全球気候モデルを使用しても示されている。^[8]

軌道モンスーン仮説の重要な問題の一つは、気候記録を詳細に調査した結果、北アフリカモンスーンの観測最大値と予測最大値の間には 1000 年から 2000 年の遅れがあることが示されたことです。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。ただし、この問題にはいくつかの解決策があります。最も合理的な解決策は、今日の気候との単純な類似性で示すことができます。現在、太陽放射のピークは 6 月 21 日ですが、北アフリカの夏季モンスーンのピークは 1 か月後の 7 月です。このような 1 か月の遅れは、モンスーン循環極大期の約 1500 年から 2000 年の遅れとして表されるはずです。なぜなら、19,000 年から 23,000 年の歳差運動周期における 7 月の日射量極大期は、6 月の日射量極大期の約 1500 年から 2000 年後に発生するからです。データで観測された遅れについては、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が極地の氷床の緩やかな融解によって緩和されていることを示唆しています。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 つ目の代替解決策は、氷河作用によって残された比較的冷たい熱帯の海が、冷たい海は水分の供給源としてそれほど強力ではないため、当初は世界的に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。^[5]

腐泥は重量の2%を超える有機炭素を含む、有機物に富んだ暗い海洋堆積物です。東地中海では、北アフリカの歳差運動周期における日射量最大期と一致する海洋堆積物コアに腐泥の層が見られます。^{[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が強くなり北上するため、ナイル川流域の上流と中流に沿って非常に激しい雨が降ります。これらの雨は北に流れて東地中海に排出され、そこで栄養分に富んだ淡水が大量に流入することで、急激な垂直塩分勾配が生じます。その結果、熱塩 対流が遮断され、水柱は安定して成層します。この安定した成層化が起こると、東地中海の底層水は急速に酸素が枯渇し、栄養分に富んだ表層水から流入した大量の浮遊性有機物が腐泥層として保存される。^[11]腐泥層の形成とナイル川の流量増加を結びつける重要な証拠の1つは、腐泥層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、腐泥層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、氷床の消失による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、地質学的記録から見つけられ、解釈できる。これらの湖は、歳差周期が日射量最大に近づくと満たされ、歳差周期が日射量最小に近づくと枯渇する。これらの古代湖で最大のものはメガチャド湖で、ピーク時には深さ173メートル、面積は約40万km ²であった。^[13]今日、このかつて巨大だった湖の名残はチャド湖として知られており、最大深さは11メートル、面積はわずか1,350km ²である。古代メガチャド湖の湖岸線の衛星画像によると、湖は北東風と南西風という2つの異なる風域に存在していたことが明らかになっている。北東風は今日の風のパターンと一致しており、弱いモンスーン流の特徴である。一方、南西風はより強いモンスーン流の特徴である。^[13]

北アフリカモンスーンの経時的制御に関するもう一つの重要な証拠は、熱帯大西洋の淡水珪藻類の堆積物に見ることができる。熱帯大西洋の海洋コアには、淡水珪藻類Aulacoseira granulata（別名Melosira granulata ）の明確な層があることがわかっている。これらの層は 23,000 年の周期で発生し、歳差運動による日射量の最大値から約 5000 年から 6000 年遅れている。^{[5] [14]}これらの周期的な淡水珪藻類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に目を向ける必要がある。歳差運動周期の日射量が最大になる頃は、北アフリカモンスーンが最も強く、サハラ地域は大きなモンスーン湖で占められるようになる。その後、時が経つにつれて日射量が最小になり、北アフリカモンスーンの弱まりによりこれらの湖は干上がり始める。湖が干上がると、淡水珪藻類を含む薄い堆積物が露出します。最後に、冬季に卓越北東風が到来すると、干上がった湖底の淡水珪藻類堆積物は塵となって巻き上げられ、熱帯大西洋に数千キロメートル運ばれます。この一連の出来事から、淡水珪藻類堆積物の 5000 ～ 6000 年の遅延の理由は明らかです。なぜなら、サハラ砂漠のモンスーン湖が干上がり、潜在的な淡水珪藻類源が露出し始める前に、北アフリカモンスーンが十分に弱まらなければならないからです。^[5]淡水珪藻類堆積物で注目すべき重要な要素の 1 つは、種の識別です。たとえば、アフリカの西海岸沖の海洋コアには、淡水湖と川の珪藻類種が混在しています。したがって、サハラ砂漠の珪藻サイクルを正確に表すコアは、川の流出の影響が最小限に抑えられるほど海岸から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]

東部赤道大西洋湧昇帯の強さの観測された変動は、歳差運動周期によって調整される北アフリカモンスーンの周期をサポートするためにも使用できます。歳差運動周期中に北アフリカの日射量がピークになると、赤道大西洋上の東貿易風はサハラ砂漠の方向に大きく逸れます。この逸れにより、東部赤道大西洋の赤道湧昇帯が弱まり、遠洋域の水温が上昇します。一方、歳差運動周期により北アフリカの日射量が最小になると、東貿易風の逸れは比較的弱くなります。このため、東部赤道大西洋の湧昇帯は強いままで、遠洋域の水温は低くなります。^[16]東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に生息するプランクトン生物の堆積物に見いだされる。このようなコアは、温水プランクトンと冷水プランクトン種の相対的な存在量が23,000年の一貫した周期で変化し、23,000年の歳差運動日射周期と一致していることを示す。^[5]

アフリカ湿潤期は14,800年から5,500年前に発生し、「緑のサハラ」が最後に発生した時期です。アフリカ湿潤期のサハラの状況は、強い北アフリカモンスーンの影響を強く受け、今日と比較して年間降水量が多かったです。^[17]降水量の増加により、北アフリカの植生パターンは現在とはまった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が特徴でした。一方、サハラ南部の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、サヘルはサバンナ草原の状況が特徴です。アフリカ湿潤期は、大きな湖、川、デルタからなるサハラの広大な水路網も特徴としていました。 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・メガ湖、チョッツ・メガ湖でした。この地域の大きな川には、セネガル川、ナイル川、サハビ川、クフラ川がありました。これらの川と湖のシステムは、人間を含む多くの動物種がサハラ砂漠全体に生息範囲を拡大することを可能にする回廊を提供しました。^[19]

アフリカ湿潤期の始まりと終わりの地質学的証拠は、アフリカ湿潤期の始まりと終わりがどちらも突然だ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タイムスケールで発生した可能性が高い。アフリカ湿潤期の始まりと終わりは、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緩やかすぎるため、アフリカ湿潤期の始まりと終わりに見られるような急激な気候変化を単独で引き起こすことはできない。そのため、サハラの気候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 メカニズムが提案されている。検討されている最も一般的な非線形フィードバック メカニズムの 1 つは、植生と大気の相互作用である。^[19]北アフリカ全体の植生と大気の相互作用と日射を調べたコンピューター モデルは、「緑のサハラ」と「砂漠のサハラ」の体制間の急速な移行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-日射閾値が存在する可能性があることを示唆しており、この閾値に達すると、サハラ地域は「緑のサハラ」から「砂漠のサハラ」へ、またはその逆へと急速に移行する可能性があります。

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