太陽活動と気候

太陽放射のパターンと太陽変動は、地質学的時間スケールの数百万年から数十億年にわたって気候変動の主な要因となってきました。

これが事実であるという証拠は、直接観測、さまざまな代理観測のバスケットからの合成、数値気候モデルなど、多くの時間スケールと多くの情報源からの分析から得られます。千年単位の時間スケールでは、古気候指標は宇宙線生成同位体存在比と比較されてきました。後者は太陽活動の代理であるためです。これらは世紀の時間スケールでも使用されていますが、さらに、機器データ（主に太陽黒点の望遠鏡による観測と気温の温度計による測定）がますます利用可能になり、たとえば、温度変動は太陽活動の変動と一致しないこと、そして、よく言われる小氷期とマウンダー極小期との関連は単純すぎること、太陽変動が果たした役割は小さいかもしれませんが、はるかに大きな要因は小氷期の火山活動であることがわかっていることなどを示しています。^[1]ここ数十年で、宇宙船から前例のない精度、感度、範囲（太陽活動と地球の気候の両方）の観測が可能になり、近年の地球温暖化は太陽の変化によって引き起こされたのではないことが明確に示されています。

地球は、約45億4千万年前^{[2] [3] [4]に}太陽系星雲からの集積によって形成されました。火山からのガス放出によって原始大気が作られたと考えられますが、そこには酸素がほとんど含まれておらず、人間や現代のほとんどの生命にとって有毒だったと考えられます。地球の大部分は、他の天体との頻繁な衝突によって激しい火山活動が起こり、溶けていました。時間が経つにつれて、惑星は冷えて固い地殻を形成し、最終的に表面に液体の水が存在するようになりました。

30億〜40億年前、太陽は現在の70%のエネルギーしか放射していませんでした。 ^{[5]現在の大気の組成では、この過去の太陽の光度では、水が均一に凍るのを防ぐのに不十分だったでしょう。それでも、}冥王代^{[6] [7]}と始生代^{[8] [6]にはすでに液体の水が存在していたという証拠があり、いわゆる「}若い太陽の暗いパラドックス」につながっています。^[9]このパラドックスの仮説上の解決策には、現在よりもはるかに高い温室効果ガス濃度を持つ、大きく異なる大気が含まれます。^[10]

その後の約 40 億年の間に、太陽のエネルギー出力が増加し、地球の大気の構成が変化しました。約 24 億年前の大酸化イベントは、大気の最も顕著な変化でした。今後 50 億年の間に、太陽は最終的に非常に明るい赤色巨星になり、その後非常に暗い白色矮星になりますが、気候に劇的な影響を及ぼします。赤色巨星の段階で、地球上のすべての生命がすでに絶滅している可能性があります。

1978年以来、太陽放射照度は衛星によって非常に高い精度で直接測定されている。^{[11] : 6}これらの測定によると、太陽の総太陽放射照度は太陽周期の約11年間にわたって±0.1％変動するが、その平均値は1978年に測定が開始されて以来安定している。1970年代以前の太陽放射照度は、木の年輪、太陽黒点の数、¹⁰ Beなど の宇宙線生成同位体の存在量などの代理変数を使用して推定されており、^[12]これらすべてが1978年以降の直接測定に合わせて較正されている。^[13]

太陽活動は1960年代から減少傾向にあり、太陽活動周期19～24で最大黒点数はそれぞれ201、111、165、159、121、82であったことが示されています。^[14] 1978年以降の30年間は、太陽活動と火山活動の組み合わせがわずかな寒冷化の影響を及ぼしたと推定されています。^[15] 2010年の研究では、太陽放射の構成がわずかに変化し、紫外線が増加し、他の波長が減少する可能性があることがわかりました。^[16]

現代では、太陽は十分に狭い範囲で活動しているため、気候への影響はほとんどありません。モデルによれば、太陽の変動と火山活動の組み合わせによって、西暦1000 年から 1900 年までの比較的暖かい時期と寒い時期を説明できるとされています。

数多くの古環境復元研究で、太陽変動と気候の関係が調べられてきました。特に北極の古気候は、太陽放射量の変化と気候の変動を結び付けています。2001年の論文では、完新世を通じて北大西洋の気候に大きな影響を与えた約1500年の太陽周期が特定されました。^[17]

太陽活動と気候変動の歴史的長期相関関係の1つは、1645年から1715年のマウンダー極小期である。これは太陽黒点活動がほとんどまたは全くなかった期間で、ヨーロッパで寒冷な気候が続いた「小氷期」と部分的に重なっていた。小氷期は、おおよそ16世紀から19世紀に及んだ。^{[18] [19] [20]}太陽活動の低下が寒冷化の原因であったのか、それとも他の要因が原因であったのかは議論されている。

1460年から1550年までのシュペーラー極小期は、顕著な寒冷期と一致していた。^[21]

2012年の論文では、代わりに「50年にわたる異例の4回の硫黄を豊富に含む爆発的な噴火」を通じて小氷期と火山活動を結び付け、この現象を説明するために「太陽放射の大きな変化は必要ない」と主張した。^[22]

2010年の論文では、太陽活動の低下が90年間続くと、地球の平均気温が約0.3℃低下するが、これは温室効果ガスによる強制力の増加を相殺するには十分ではないと示唆されている。^[23]

最近の太陽活動と気候の関係は定量化されており、20世紀初頭から起こっている温暖化の主な要因ではない。^[24] 20世紀後半の温暖化を再現するには、人為的な強制力が必要である。^{[25]いくつかの研究では、太陽周期による放射量の増加が20世紀の}温暖化の一部と関連していると考えている。^{[26] [27]}

太陽活動が気候に影響を及ぼすメカニズムとして、次の 3 つが提案されています。

• 太陽放射の変化は気候に直接影響を及ぼします（「放射強制力」）。これは、増幅プロセスがない限り、測定された変動の振幅が小さすぎて大きな影響を与えないため、一般的には軽微な影響であると考えられています。^[28]
• 紫外線成分の変動。紫外線成分は全体よりも大きく変動するため、紫外線が何らかの理由（まだ不明）で不均衡な影響を及ぼす場合、太陽信号が大きくなる理由を説明できるかもしれません。
• 雲量の変化など、太陽風の影響を受ける銀河宇宙線の変化によって媒介される影響。

気候モデルは、総太陽放射量と火山活動の変動のみを考慮した場合、ここ数十年間に観測された急速な温暖化を再現することができませんでした。ヘーゲルら(2007) は、20 世紀半ば以降に観測された地球温暖化の大部分は、温室効果ガスの強制力によって「非常に可能性が高い」と結論付けました。この結論を出すにあたり、気候モデルが太陽強制力の影響を過小評価していた可能性を考慮しました。^[29]

もう一つの証拠は、地球の大気のさまざまなレベルで温度がどのように変化したかを見ることです。^[30]モデルと観測によると、温室効果ガスは対流圏を温めますが、成層圏を冷やします。^[31] 化学冷媒によるオゾン層の破壊は、成層圏の冷却効果を刺激しました。観測された温暖化の原因が太陽である場合、太陽活動の増加によりオゾンと窒素酸化物が補充されるため、地表の対流圏の温暖化と成層圏上部の温暖化が予想されます。^[32]

太陽活動と気候の関係の評価には、複数の独立した証拠が関係します。

初期の研究では、天候と太陽黒点活動の相関関係を見つけようとしたが、目立った成果はほとんど得られなかった。^{[33] [34]}その後の研究は、太陽活動と地球温度の相関関係に重点が置かれるようになった。

太陽の力の正確な測定は、地球の気候に対する太陽の影響を理解する上で極めて重要です。正確な測定が可能になったのは、1970年代後半に始まった衛星時代になってからで、それでもまだ議論が続いています。異なるチームが異なる値を見つけているのは、異なるスペクトル感度を持つ機器で行われた測定値を相互較正する方法が異なるためです。^[35]カフェッタとウィルソンは、1980年から2000年の間に太陽の光度に大きな変化があったと主張していますが、^{[36]ロック}ウッドとフロリッヒは、 1987年以降、太陽の力は低下していると結論付けています。

2001年の気候変動に関する政府間パネル（IPCC）第3次評価報告書（TAR）は、最近の太陽活動の変動の影響は温室効果ガスによる増幅効果よりもはるかに小さいと結論付けたが、太陽活動の変動に関する科学的理解は不十分であると認めた。^{[38] [39]}

長期的な太陽放射照度の変化の推定値は、第3次評価報告書以降減少している。しかし、検出可能な対流圏の変化に関する実験結果は、気候変動に対する太陽の強制力の証拠を強化している。最も可能性の高いメカニズムは、TSIの変化による直接的な強制力と成層圏への紫外線（UV）放射の間接的な影響の組み合わせであると考えられている。最も確実でないのは、銀河宇宙線によって引き起こされる間接的な影響である。^[40]

2002年に、リーンら^{[41]は、「11年周期を含む複数の時間スケールで、}気候変動における太陽の役割に関する実証的証拠が増えている」としながらも、「太陽活動の地上プロキシ（14Cおよび10Be宇宙線生成同位体やaa地磁気指数など）の変化は、長期的（すなわち、世俗的）太陽放射量の変化がなくても発生する可能性がある...なぜなら、確率的応答は周期振幅とともに増加するためであり、実際の世俗的放射量の変化があるからではない」と述べた。このため、「長期的な気候変動は太陽活動周期の振幅を追っているように見えるかもしれない」が、「背景成分を太陽放射量全体の歴史的再構築から除外すると、太陽放射による気候への影響は 5 分の 1 に減少する...これは、 20 世紀の温暖化に関する一般循環モデル(GCM) シミュレーションが太陽放射量の変動の役割を過大評価している可能性があることを示唆している」と彼らは結論付けている。2006 年のレビューでは、太陽の明るさは地球の気候に比較的影響が少なく、長期間にわたって太陽出力が大幅に変化する可能性は低いことが示唆された。^{[28] [42]}ロックウッドとフレーリッヒ（2007）は、「産業革命以前の地球の気候に対する太陽の影響を示すかなりの証拠があり、太陽は前世紀前半の産業革命後の気候変動の要因であった可能性が高い」としているが、「過去20年間、地球の気候に影響を与えた可能性のある太陽の傾向はすべて、観測された地球の平均気温の上昇を説明するために必要なものとは逆の方向であった」としている。^{[43]地磁気活動を既知の太陽地球相互作用の尺度とみなした研究で、ラブらは、太陽黒点と地磁気活動の間に統計的に有意な相関関係があることを発見したが、}地球表面温度と太陽黒点数または地磁気活動の間には相関関係が見られなかった。^[44]

ベネスタッドとシュミット^[45]は、「太陽の力による地球温暖化への寄与は20世紀では7±1％である可能性が最も高く、1980年以降の温暖化では無視できるほど小さい」と結論付けた。この論文は、太陽の変動が気候の力に大きな影響を与えると主張するスカフェッタとウェスト^[46]の意見に反対した。彼らは、特定の気候と太陽強制力の再構築の相関関係に基づき、「現実的な気候シナリオは、産業革命以前の大きな永年変動（例えば、モバーグらによる古気候温度再構築）によって記述されるシナリオである」と主張した。 ^[47] TSI は低い永年変動を経験する（ワンらが示したもののように）。^[48]このシナリオでは、彼らは、1900 年以降に観測された地球温暖化の 50% は太陽によるものである可能性があると主張した。^[49]ストットらは、過去 30 年間の長期にわたる太陽活動の高エネルギーの残留効果が、1950 年から 1999 年までの温暖化の 16% から 36% を占めると推定した。^[50]

太陽変動の直接測定も代理測定も地球全体の気温とはあまり相関がなく^[57]、特に最近数十年間は両方の量が最もよく知られているにもかかわらず、相関が顕著でした^{[51] [58]。}

2007年にロックウッドとフレーリッヒ^[51]が強調した、太陽活動が低下する一方で地球の平均気温が上昇し続けるという逆の傾向は、それ以来続いており、さらに顕著になっています。2007年には、傾向の差は1987年頃から明らかになりましたが、その差はその後も拡大し、加速しています。更新された図（右）は、1世紀の間隔を置いている太陽活動周期14と24の変動と対比を示しています。これらはすべての太陽活動の指標で非常に似ていますが（実際、平均すると周期24は周期14よりもわずかに活動が低い）、地球の平均表面温度は周期24の方が周期14よりも1℃以上高く、上昇が太陽活動に関連していないことを示しています。総太陽放射照度（TSI）パネルは、 太陽黒点と白斑の影響に関するSATIRE-T2モデル^{[53]からモデル化された変動と観測値のPMOD合成[59]を示しており、宇宙線フラックスと宇宙線生成同位体[54]}との相関から得られた静かな太陽変動（サブ解像度の光球特性と太陽半径の変化による）が追加されています。太陽活動がサイクル14と24でほぼ同じであったという発見は、過去に地球の気候変動の潜在的な原因として提案されたすべての太陽出力に当てはまり、総太陽放射照度、宇宙線フラックス、スペクトル紫外線放射照度、太陽風の速度と/または密度、太陽圏磁場とその方向の分布、および結果としての地磁気活動レベルが含まれます。

地球の平均日較差は縮小している。^{[60] [61] [62]}日中の気温は夜間の気温ほど速く上昇していない。これは、太陽エネルギー（エネルギー体制に応じて、主にまたは完全に日中に減少する）が主な強制手段である場合に予想される温暖化とは逆である。しかし、温室効果ガスが放射逃避を妨げている場合、これは予想されるパターンであり、放射逃避は夜間に多く発生する。^[63]

北半球は南半球よりも急速に温暖化している。^{[64] [65]}これは、南半球の夏の間に地球に現在より近い太陽が主な気候要因である場合に予想されるパターンとは逆である。特に、海域が広く陸地が少ない南半球はアルベド（「白さ」）が低く、より多くの光を吸収する。しかし、北半球は人口、産業、排出量が多い。^[要出典]

さらに、北極地域は、低緯度地域よりも太陽光が少ないにもかかわらず、南極地域よりも、また北半球の中緯度地域や亜熱帯地域よりも急速に温暖化が進んでいる。 ^[66]

太陽の力は地球の大気を高度によってほぼ均等に温めるが、波長やエネルギー領域によって多少のばらつきがある。しかし、大気は低高度では温暖化し、高高度では冷えている。これは、金星のように温室効果ガスが気温を左右する場合に予想されるパターンである^{[67] [68]}。^[69]

1994年に米国国立研究評議会が実施した研究では、産業革命以前、つまり人間が大量に生成した二酸化炭素が大気中に放出される以前の時代に、TSIの変動が重大な気候変動の原因となった可能性が最も高いと結論付けられました。^[70]

スカフェッタとウェストは、人為的な温室効果による影響が顕著になる前の産業革命以前の太陽プロキシデータと下層対流圏温度を相関させ、1900年から2000年の間に観測された温暖化の50%は太陽熱放射の変動によるものかもしれないと示唆した（ただし、彼らは「太陽の気候への影響に関する推定値は過大評価されている可能性があり、上限値として考慮する必要がある」と結論付けている） 。 ^[46]上限値ではなく検出値として解釈すると、直接的な放射強制による太陽の気候への強制はわずかな影響しか与えないと予測する地球規模の気候モデルとは対照的となる 。^[71]

2000 年、ストットら^[72]は、20 世紀の気候に関する、当時としては最も包括的なモデル シミュレーションについて報告しました。彼らの研究では、「自然の強制要因」（太陽の変動と火山の放出）と「人為的な強制要因」（温室効果ガスと硫酸エアロゾル）の両方が検討されました。彼らは、「太陽の影響は、20 世紀前半の温暖化に大きく寄与した可能性がありますが、この結果は、使用される総太陽放射量の再構築に依存しています。20 世紀後半には、温室効果ガスの人為的増加が、観測された温暖化の大きな原因であり、人為的な硫酸エアロゾルによる冷却によってバランスが取れており、太陽の影響が顕著であるという証拠はありません」と結論付けました。ストットのグループは、これらの要因を組み合わせることで、20 世紀を通じて地球の気温変化を詳細にシミュレートできることを発見しました。彼らは、温室効果ガスの継続的な排出は、今後さらに気温上昇を引き起こし、「ここ数十年で観測されたのと同程度の速度で」気温が上昇すると予測しました。^[73]さらに、この研究では「歴史的な強制力の不確実性」に言及している。言い換えれば、過去の自然強制力は、おそらく海洋の影響により、依然として遅延した温暖化効果をもたらしている可能性がある。^[72]

ストットの2003年の研究では評価が大幅に修正され、温室効果ガスに比べるとまだ小さいものの（16～36％）、近年の温暖化には太陽が大きく寄与していることがわかった。^[50]

2004年の研究では、太陽活動は太陽黒点活動に基づいて気候に影響を与えるが、現在の地球温暖化においてはわずかな役割しか果たしていないという結論が出されました。^[74]

1991年、フリス＝クリステンセンとラッセンは、太陽周期の長さと北半球の気温変化の間に強い相関関係があると主張した。^[75]彼らは当初、1861年から1989年までの太陽黒点と気温の測定値を使用し、後に4世紀にわたる気候記録を使用して期間を延長した。彼らが報告した関係は、この期間に測定された気温変化の約80％を説明しているようだった。これらの主張された相関関係の背後にあるメカニズムは推測の問題であった。

2003年の論文^[76]で、 ラウトはこれらの相関分析のいくつかに問題があることを指摘した。デイモンとラウトは次のように主張した。^[77]

これらのグラフに表示されている明らかな強い相関関係は、物理データの誤った処理によって得られたものです。これらのグラフは今でも文献で広く参照されていますが、その誤解を招く性質はまだ一般には認識されていません。

デイモンとラウトは、グラフのフィルタリングエラーを修正すると、世界的な注目を集めた最近の地球温暖化とのセンセーショナルな一致は完全に消えたと述べています。^[77]

2000年にラッセンとテイルは1991年の研究を更新し、太陽活動周期は1900年以降の気温上昇の約半分を説明するものの、1980年以降の0.4℃の上昇は説明できないという結論を下した。^[78]ベネスタッドの2005年のレビュー^[79]では、太陽活動周期は地球の平均表面温度に追従していないことが判明した。

2022年、チャツィスターゴスは最近の太陽黒点と太陽プラージュのデータを使用して周期長シリーズを更新し、以前の研究よりも最近の期間に拡張し、利用可能なさまざまな時系列も考慮しました。^{[80] [81] [82] [83] [84]}これは、過去10年間に太陽黒点データに多数の更新と修正が適用されているため重要です。彼は、周期長が地球の気温から大幅に乖離していることを示し、フリス＝クリステンセンとラッセンによって報告された強い相関関係は彼らの分析の産物であると結論付けました。主に、次の極値時間の推測、特定の期間にわたる分析の恣意的な制限、および方法論の他の恣意性によるものです。^{[85] [86]}

太陽活動は、パラナ川^[87]やポー川などの地域の気候にも影響を及ぼす可能性がある。^[88] NASA の太陽放射・気候実験の測定によると、太陽の紫外線出力は太陽放射量全体よりも変動が大きい。気候モデルでは、太陽活動が低いと、例えば米国や北ヨーロッパでは冬が寒くなり、カナダや南ヨーロッパでは冬が穏やかになるが、世界平均にはほとんど変化がないことが示唆されている。^{[89]より広い意味では、太陽周期、地球の気候、}エルニーニョなどの地域的現象の間には関連があると示唆されている。^[90]ハンコックとヤーガーは、「二重 [約 21 年] 太陽黒点周期と東海岸沿いの「1 月の雪解け」現象、および二重黒点周期と中西部の「干ばつ」(6 月の気温と降水量) の間には統計的に有意な関係がある」ことを発見した。^[91]

CERNのCLOUD施設での最近の研究では、宇宙線と雲凝結核の関係が調べられ、高エネルギー粒子放射線が雲凝結核の前駆物質であるエアロゾル粒子の核形成に及ぼす影響が実証された。^[92]カークビー（CLOUDチームリーダー）は、「現時点では、この実験は、宇宙線が雲や気候に及ぼす影響については何も語っていない」と述べた。^{[93] [94]}さらに調査を進めた結果、チームは「宇宙線強度の変化は、核形成を通じて気候に顕著な影響を与えない」と結論付けた。^[95]

国際衛星雲気候学プロジェクト(ISCCP)による 1983 ～ 1994 年の全球下層雲形成データは、銀河宇宙線(GCR) フラックスと高い相関関係にあったが、この期間以降、相関関係は崩れた。^[77]雲量の 3 ～ 4% の変化とそれに伴う雲頂温度の変化は、11 年および 22 年の太陽 (黒点) 周期と相関しており、「反平行」周期中に GCR レベルが増加した。^[96]全球平均雲量の変化は 1.5 ～ 2% と測定された。いくつかの GCR と雲量に関する研究では、50 度を超える緯度では正の相関関係が見られ、それより低い緯度では負の相関関係が見られた。^{[97]ただし、すべての科学者がこの相関関係を統計的に有意であると認めているわけではなく、これを GCR の変化に直接起因するものではなく、他の太陽変動 (UV や総放射照度の変動}など)に起因すると考える科学者もいる。^{[98] [99]}このような相関関係を解釈する際の難しさとしては、太陽変動の多くの側面が同じような時期に変化し、いくつかの気候システムは反応が遅れるという事実が挙げられる。

物理学者で歴史家のスペンサー・R・ウェアトは『地球温暖化の発見』（2003年） の中で次のように書いています。

太陽黒点周期の研究は、19世紀前半を通じて一般的に人気があった。政府は大量の気象データを集めて研究を進め、必然的に人々は太陽黒点周期と特定の気象パターンとの相関関係を発見した。イングランドの降雨量が周期に当てはまらないとしても、ニューイングランドの嵐は当てはまるかもしれない。尊敬される科学者や熱心なアマチュアは、予測を行うのに十分なパターンを見つけたと主張した。しかし遅かれ早かれ、すべての予測は外れた。一例として、1930年代初頭の太陽黒点極小期にアフリカで乾燥期が続くという非常に信頼性の高い予測があった。その期間が雨期だったことが判明したとき、ある気象学者は後に「太陽黒点と気象の関係という問題は、特に最も尊敬される上司の何人かが当惑するのを目撃した英国の気象学者の間で論争になった」と回想している。1960年代でさえ、彼は「若い[気候]研究者が太陽と気象の関係に関するいかなる発言も受け入れることは、自分を変人だと決めつけることだった」と述べた。^[33]

• 放射強制力
• 太陽現象
• 太陽周期
• 太陽観測
• 宇宙気候
• 宇宙天気

• 「気候変動における太陽の役割」(PDF)。2001年 8 月 19 ～ 24 日、ノバスコシア州ハリファックスで開催された地球温暖化と次の氷河期に関する国際会議の議事録。2004年 10 月 22 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2005年 2 月 21日に取得。
• White, Warren B.; Lean, Judith; Cayan, Daniel R.; Dettinger, Michael D. (1997). 「変化する太陽放射照度に対する全球上層海洋温度の応答」。Journal of Geophysical Research。102 ( C2 ): 3255–3266。Bibcode :1997JGR...102.3255W。doi : 10.1029/96JC03549。
• 気候変動に寄与する自然要因と人為的要因の関係をグラフで表したもの^[1]が、気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の報告書「気候変動2001：科学的根拠」に掲載されています。^[2]

• Gerrit Lohmann、Norel Rimbu、Mihai Dima (2004)。「太陽放射量変動の気候特性: 長期の計測データ、履歴データ、代理データの分析」( PDF )。International Journal of Climatology。24 ( 8): 1045–1056。Bibcode :2004IJCli..24.1045L。doi :10.1002/ joc.1054。S2CID 53698312  。