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古気候学（イギリス英語ではpalaeoclimatology ）は、気象観測機器が発明される以前、つまり直接的な人工測定データが利用できなかった時代の気候を科学的に研究する学問である。 [ 1 ]観測機器による記録は地球の歴史のごく一部しかカバーしていないため、古代の気候を復元することは、自然変動と現在の気候の進化を理解する上で重要である。
古気候学では、地球科学や生命科学における様々な代替手法を用いて、岩石、堆積物、ボーリング孔、氷床、年輪、サンゴ、貝殻、微化石などに保存されているデータを取得します。これらの代替データの年代測定技術と組み合わせることで、古気候記録は地球の大気の過去の状態を解明するために用いられます。
古気候学という科学分野は20世紀に成熟期を迎えた。古気候学者が研究してきた注目すべき時代には、地球が経験してきた頻繁な氷河期、ヤンガードリアス期のような急速な寒冷化、暁新世-始新世温暖化極大期の急速な温暖化などがある。環境と生物多様性の過去の変化に関する研究は、しばしば現在の状況、特に気候が大量絶滅と生物の回復、そして現在の地球温暖化に及ぼす影響を反映している。[ 2 ] [ 3 ]
古気候学を研究することは、特に気候に関して地球の未来を展望する上で重要である。
気候変動の概念は、おそらく古代エジプト、メソポタミア、インダス渓谷、中国で発展したと考えられています。これらの地域では、長期間にわたる干ばつと洪水が発生していました。[ 4 ] 17世紀、ロバート・フックは、ドーセットで発見された巨大な亀の化石は、かつて温暖だった気候によってのみ説明できると提唱し、その温暖な気候は地球の自転軸のずれによって説明できると考えました。[ 4 ]当時、化石はしばしば聖書の洪水の結果として説明されていました。[ 5 ] 19世紀初頭、アマチュア天文家のハインリヒ・シュワーベが太陽黒点の体系的な観測を開始し、太陽が地球の気候に与える影響についての議論が始まりました。[ 4 ]
古気候学の科学的研究は、19 世紀初頭に氷河期や地球の過去の気候の自然変化に関する発見が温室効果の理解に役立ったことから形を成し始めました。古気候学が統一された科学分野となったのは 20 世紀になってからです。それ以前は、地球の気候史のさまざまな側面がさまざまな学問分野で研究されていました。[ 5 ] 20 世紀末には、地球の古代の気候に関する実証的研究が、ますます複雑化するコンピュータ モデルと組み合わされ始めました。この時期には、現在の気候変動に関する情報を提供できる古代の類似気候を見つけるという新しい目標も生まれました。[ 5 ]
古気候学者は、古代の気候を推定するためにさまざまな手法を用います。使用する手法は、どの変数（気温、降水量、その他）を復元する必要があるか、また、対象となる気候がどれくらい前に発生したかによって異なります。例えば、ほとんどの同位体データの情報源である深海堆積物は、最終的に沈み込む海洋プレート上にのみ存在し、現存する最古の物質は2億年前のものです。また、古い堆積物は続成作用による劣化を受けやすいという問題もあります。これは、岩石層が圧力、地殻変動、流体の流れなどによって何百万年にもわたって変化してきたためです。これらの要因により、データの質や量が不足することが多く、時間の経過とともにデータの解像度と信頼性が低下します。
古代の気候条件を推測するために用いられる具体的な手法としては、湖底堆積物コアや鍾乳石の利用が挙げられる。これらは、それぞれ堆積層や岩石の成長構造の分析に加え、酸素、炭素、ウランを用いた元素年代測定法を利用する。
直接定量測定法は、気候の変化を理解するための最も直接的なアプローチです。最近のデータと古いデータを比較することで、研究者はある地域の気象と気候の変化について基本的な理解を得ることができます。この方法には欠点があります。気候のデータは1800年代半ばに記録され始めたばかりです。つまり、研究者は150年分のデータしか利用できません。これは、1万年前の地域の気候をマッピングしようとする場合には役に立ちません。このような場合に、より複雑な方法が使用できます。[ 8 ]
山岳氷河や極地の氷冠・氷床は、古気候学において多くのデータを提供している。グリーンランドと南極の氷冠で行われた氷床コア採取プロジェクトでは、数十万年前まで遡るデータが得られており、 EPICAプロジェクトの場合は80万年以上前のデータも含まれている。
多国籍コンソーシアムである南極氷床掘削欧州プロジェクト（EPICA）は、東南極氷床のドームCで氷床コアを掘削し、約80万年前の氷を採取した。[ 9 ]国際氷床コアコミュニティは、国際氷床コア科学パートナーシップ（IPICS）の後援の下、南極から可能な限り最古の氷床コア記録、すなわち150万年前まで遡る氷床コア記録を取得することを優先プロジェクトとして定めた。[ 10 ]
気候情報は、樹木の成長の変化を理解することによって得られます。一般的に、樹木は気候変数の変化に応じて成長速度を速めたり遅くしたりします。これは通常、年輪の厚さの増減として現れます。しかし、樹種によって気候変数の変化への反応は異なります。年輪記録は、特定の地域に生息する多数の樹木から情報を収集することによって作成されます。これは、樹木の年輪の数、厚さ、境界、およびパターンの一致を比較することによって行われます。
樹木の年輪の厚さの違いは、環境条件の質や評価対象の樹種の適応度を示すことが多い。樹種によって、気候変動に対する成長反応は異なる。同じ樹種の複数の樹木と、異なる樹種の樹木をそれぞれ評価することで、気候内の変化する変数と、それが周囲の樹種に及ぼす影響をより正確に分析することができる。[ 11 ]
腐朽を免れた古い無傷の木材は、年輪の深さの変化を同時代の標本と照合することで、記録の対象となる期間を延長することができます。この方法を用いることで、数千年前まで遡る年輪記録を持つ地域もあります。同時代の記録と結びついていない古い木材は、一般的に放射性炭素年代測定法を用いて年代を特定できます。年輪記録は、特定の地域における降水量、気温、水文状況、火災に関する情報を得るために利用できます。
より長い時間スケールでは、地質学者はデータを得るために堆積記録を参照する必要がある。
より長い時間スケールで見ると、岩石の記録には海面の上昇と下降の痕跡が見られることがあり、 「化石化した」砂丘などの地形を特定することもできます。科学者は、数十億年前まで遡る堆積岩を研究することで、長期的な気候を把握することができます。地球の歴史を複数の時代に区分するのは、主に堆積岩層の目に見える変化に基づいており、これらの変化は環境の大きな変化を示しています。多くの場合、これらの変化には気候の大きな変化が含まれます。
サンゴの「年輪」は樹木と同様の成長の証拠を共有しており、同様の方法で年代測定できます。主な違いは、サンゴの生息環境と、その環境内でサンゴが反応する条件です。サンゴのこれらの条件の例には、水温、淡水の流入、pHの変化、波の擾乱などがあります。そこから、高度高分解能放射計（AVHRR）などの特殊な機器を使用して、過去数世紀の海面水温と塩分濃度を導き出すことができます。サンゴ紅藻のδ 18 Oは、多くの従来の技術が制限されている高緯度および熱帯地域における海面水温と海面塩分濃度の複合的な指標として有用です。[ 12 ] [ 13 ]
気候地形学では、過去の気候を推測するために、残存地形を研究するというアプローチがあります。[ 14 ]気候地形学は過去の気候に関心を持つことが多いため、歴史地質学のテーマとみなされることもあります。[ 15 ]研究対象となる過去の気候の証拠は、それらが残した地形に見出すことができます。これらの地形の例としては、氷河地形（モレーン、条痕）、砂漠地形（砂丘、砂漠舗装）、海岸地形（海成段丘、海岸堤防）などがあります。[ 16 ]気候地形学は、最近の（第四紀、完新世の）大規模な気候変動を研究するにはあまり役に立ちません。なぜなら、それらは地形学的記録にはほとんど見分けがつかないからです。[ 17 ]
地質年代学の分野では、科学者が特定の指標の年代を決定する研究を行っています。樹木の年輪やサンゴなどの最近の指標アーカイブでは、個々の年輪を数えることができ、正確な年代を特定できます。放射年代測定は、指標に含まれる放射性元素の特性を利用します。古い物質では、放射性物質の崩壊が進んでいるため、異なる元素の割合が新しい指標とは異なります。放射年代測定の一例として、放射性炭素年代測定があります。大気中では、宇宙線が窒素を特定の放射性炭素同位体である14Cに絶えず変換します。植物がこの炭素を利用して成長すると、この同位体は補充されなくなり、崩壊し始めます。「通常の」炭素と炭素14の比率から、植物物質が大気と接触していない期間に関する情報が得られます。[ 18 ]
気候に関する正確な知識は、記録が過去に遡るにつれて減少するが、注目すべき気候現象もいくつか知られている。
最初の大気は、太陽星雲中のガス、主に水素で構成されていたと考えられます。さらに、現在木星や土星のような巨大ガス惑星で見られるような単純な水素化物、特に水蒸気、メタン、アンモニアも存在していたと考えられます。太陽星雲が消散するにつれて、ガスは太陽風によって部分的に吹き飛ばされ、宇宙空間へと放出されたと考えられます。[ 19 ]
次の大気は、主に窒素、二酸化炭素、不活性ガスから構成され、火山活動によるガス放出と、巨大な小惑星による地球への後期の激しい衝突時に生成されたガスによって生成された。[ 19 ]二酸化炭素の排出物の大部分はすぐに水に溶け、炭酸塩堆積物を形成した。
水に関連する堆積物は、38億年前という早い時期から発見されている。[ 20 ]約34億年前、窒素は当時安定していた「第二の大気」の主要成分であった。初期の生命体の痕跡が35億年から43億年前という早い時期にまで遡ることから、大気の歴史において生命の影響を考慮に入れなければならない。[ 21 ]初期の太陽の放射輝度が（現在と比較して）30%低いという事実と完全に一致しないという事実は、「かすかな若い太陽のパラドックス」と呼ばれている。
しかし、地質記録によれば、約24億年前の寒冷な氷河期を除いて、地球の初期の温度記録全体を通して、地表は比較的温暖な状態が続いていたことが示されています。始生代後期には、酸素を含む大気が発達し始めました。これは、 27億年前のストロマトライト化石として発見されている光合成を行うシアノバクテリア（大酸化イベントを参照）によるものと考えられます。初期の基本的な炭素同位体組成（同位体比の割合）は、現在見られるものと非常によく一致しており、炭素循環の基本的な特徴が40億年前にはすでに確立されていたことを示唆しています。
プレートテクトニクスによる大陸の絶え間ない再配置は、二酸化炭素を大陸の大きな炭酸塩貯蔵庫へ、またそこから移動させることで、大気の長期的な進化に影響を与えます。遊離酸素は、約24億年前の大酸化イベントまで大気中に存在せず、その出現は縞状鉄鉱層の終焉によって示されています。それまでは、光合成によって生成された酸素は、還元物質、特に鉄の酸化によって消費されていました。遊離酸素分子は、酸素の生成速度が還元物質の利用可能性を超え始めるまで、大気中に蓄積し始めませんでした。その時点は、還元性大気から酸化性大気への移行でした。O 2 は、先カンブリア時代の終わりまでに 15% を超える定常状態に達するまで、大きな変動を示しました。[ 22 ]次の期間は顕生代であり、この間に酸素呼吸をする多細胞生物が現れ始めました。
大気中の酸素量は過去 6 億年にわたって変動しており、石炭紀にはピークの 35% [ 23 ]に達し、今日の 21% よりもかなり高くなっています。大気の変化を支配する主なプロセスは 2 つあります。植物が大気中の二酸化炭素を利用して酸素を放出することと、黄鉄鉱の分解や火山噴火によって硫黄が大気中に放出され、それが酸化して大気中の酸素量を減少させることです。しかし、火山噴火は二酸化炭素も放出しますが、植物はそれを酸素に変換することができます。大気中の酸素量の変動の正確な原因はわかっていません。大気中に酸素が多い時期は、動物の急速な発展と関連付けられています。今日の大気には 21% の酸素が含まれており、これは動物の急速な発展に十分な量です。[ 24 ]
2020年に科学者たちは、過去6600万年間の地球の気候の変動を連続的かつ高精度に記録し、温室効果ガス濃度や極地の氷床量の変化を含む遷移によって区切られた4つの気候状態を特定した。彼らはさまざまな情報源のデータを統合した。恐竜絶滅以来最も温暖な気候状態である「温室」は5600万年前から4700万年前まで続き、 現代の平均気温より約14℃高かった。[ 25 ] [ 26 ]
先カンブリア時代は、地球が最初に形成された46億年前（ Ga）から5億4200万年前までの間に起こりました。先カンブリア時代は、始生代と原生代の2つの累代に分けられ、さらに紀に細分化できます。 [ 27 ]先カンブリア時代の気候の復元は、信頼できる指標の数が少ないことや、一般的に保存状態が良くない、または化石記録が広範囲に及ばないこと（特に顕生代と比較した場合）など、さまざまな理由で困難です。[ 27 ] [ 28 ]これらの問題にもかかわらず、先カンブリア時代の歴史を通じて、いくつかの主要な気候イベントの証拠があります。約23億年前（原生代の始まり）に始まった大酸化イベントは、光合成生物の出現を示すバイオマーカーによって示されています。 GOEによる大気中の高濃度の酸素のため、CH 4濃度が急速に低下し、大気が冷却されてヒューロニアン氷河期が引き起こされました。氷河期後約 1 Ga (2000 ～ 8 Ga 前) の間、地球は光合成真核生物の微化石によって示されるように、より温暖な気温を経験し、酸素濃度は地球の現在の酸素濃度の 5 ～ 18% でした。原生代末期には、さまざまな深刻度の地球規模の氷河期イベントが「スノーボール アース」を引き起こした証拠があります。[ 27 ]スノーボール アースは、氷河堆積物、大不整合と呼ばれる大規模な大陸侵食、氷河後退エピソード後に形成されるキャップ炭酸塩と呼ばれる堆積岩など、さまざまな指標によって裏付けられています。[ 29 ]
産業革命以前の時代の主な要因は、太陽の変動、火山灰と噴出物、地球の太陽に対する相対的な動き、主要な海流、分水嶺、海洋振動などの地殻変動による影響でした。顕生代初期には、大気中の二酸化炭素濃度の増加が地球温暖化の促進または増幅と関連付けられています。[ 30 ] Royer ら 2004 [ 31 ]は、顕生代の残りの期間の気候感度が今日の現代的な値の範囲と似ていることを発見しました。
完全に氷河に覆われた地球と氷のない地球との間の地球平均気温の差は 10 °C と推定されているが、高緯度でははるかに大きな変化が、低緯度ではより小さな変化が観測されるだろう。[ 32 ]大規模な氷床の発達に必要な条件の 1 つは、極またはその付近に大陸の陸塊が配置されていることであると思われる。プレートテクトニクスによる大陸の絶え間ない再配置も、長期的な気候の進化を形作る可能性がある。しかし、極に陸塊が存在するか存在しないかは、氷河作用を保証したり、極の氷冠を排除したりするのには十分ではない。地球の気候の過去の温暖期には、南極大陸に似た極の陸塊が氷床ではなく落葉樹林であったという証拠が存在する。
ジュラ紀と白亜紀の間の比較的温暖な局所的極小期は、パンゲア超大陸の分裂による沈み込みと中央海嶺火山活動の増加と関連している[ 33 ]。
温暖な気候と寒冷な気候の長期的な変化に重なって、現在の氷河期の氷期と間氷期の変動に似た、あるいはそれ以上に深刻な短期的な気候変動が数多く発生している。暁新世-始新世温暖期のような最も深刻な変動のいくつかは、海洋中の天然メタンクラスレート貯留層の突然の崩壊による急速な気候変動に関連している可能性がある。[ 34 ]
隕石衝突後に引き起こされた深刻な気候変動という同様の単一の事象が、白亜紀-古第三紀絶滅事象の原因として提唱されている。その他の主要な閾値としては、ペルム紀-三畳紀絶滅事象、オルドビス紀-シルル紀絶滅事象があり、それぞれ様々な原因が示唆されている。
第四紀は現在の気候を含む地質時代である。過去220万～210万年の間に氷河期が周期的に繰り返されてきた（第四紀以前の新第三紀後期に始まった）。
右側の図を見ると、周期が12万年という強い周期性を持っていること、そして曲線が著しく非対称であることに注目してください。この非対称性は、フィードバック機構の複雑な相互作用によって生じると考えられています。氷河期は段階的に深くなる一方、間氷期への回復は一気に起こることが観察されています。
左側のグラフは、さまざまなデータソースに基づいた過去12,000年間の気温変化を示しています。太い黒線は平均値です。
気候強制力とは、地球が受ける放射エネルギー（太陽光）と宇宙空間へ放出される長波放射との差のことである。このような放射強制力は、対流圏界面のCO 2量に基づいて、地球表面へのワット毎平方メートル単位で定量化される。[ 39 ]入射エネルギーと出射エネルギーの放射バランスに応じて、地球は温暖化または冷却される。地球の放射バランスは、太陽放射量と温室効果ガスおよびエアロゾルの濃度の変化に起因する。気候変動は、地球圏の内部プロセスおよび/または外部強制力に起因する可能性がある。[ 40 ]
この方法を気候学の研究に応用する一例として、CO2濃度の変化が気候全体にどのような影響を与えるかを分析することが挙げられます。これは、さまざまな指標を用いて過去の温室効果ガス濃度を推定し、現在の濃度と比較することによって行われます。研究者は、地球の歴史を通じて気候変動の進行における自身の役割を評価することができます。[ 41 ]
地球の気候システムは、大気圏、生物圏、氷圏、水圏、岩石圏を含み、[ 42 ]地球の各圏からのこれらのプロセスの総和が気候に影響を与えます。温室効果ガスは、気候システムの内部強制力として作用します。気候科学と古気候学では、強制力の総和に対する地球の気候感度の研究に特に関心が寄せられています。これらの強制力の総和を分析することで、科学者は地球の気候システムについて広範かつ決定的な推定を行うことができます。これらの推定には、長期的な気候変動（離心率、傾斜角歳差）、フィードバック機構（氷アルベド効果）、および人為的影響などのシステムの証拠が含まれます。[ 43 ]
例：
数百万年の時間スケールでは、山脈の隆起とそれに続く岩石や土壌の風化作用、および地殻プレートの沈み込みは、炭素循環の重要な部分である。[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]風化作用は、鉱物と化学物質（特にケイ酸塩のCO2との風化）の反応によってCO2を隔離し、それによって大気からCO2を除去して放射強制力を減少させる。反対の効果は火山活動であり、大気中にCO2を放出することで自然の温室効果を引き起こし、氷河期サイクルに影響を与える。ジム・ハンセンは、人間が過去の自然プロセスよりも1万倍速くCO2を放出していると示唆した。 [ 49 ]
氷床のダイナミクスと大陸の位置（およびそれに伴う植生の変化）は、地球の気候の長期的な進化において重要な要因となってきた。[ 50 ]また、 CO2と気温の間には密接な相関関係があり、CO2は地球の歴史において地球全体の気温を強く制御してきた。[ 51 ]
{{cite web}}:欠落または空欄|url=(ヘルプ)気候変動は、太陽活動周期の変動、火山噴火、大気組成や土地利用における持続的な人為的変化などの自然内部プロセスまたは外部強制力によって引き起こされる可能性があります。