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火山の冬とは、大規模で硫黄を多く含み、特に爆発的な火山噴火の後に、硫酸の液滴が太陽を覆い、地球のアルベド（太陽放射の反射率を高める）を上げることによって生じる地球全体の気温の低下である。気候への影響は主に、成層圏へのSO 2とH 2 Sの注入量に依存しており、ここでこれらはOHおよび H 2 O と反応して1 週間のタイムスケールでH 2 SO 4 を形成し、結果として生じる H 2 SO 4エアロゾルが支配的な放射効果を生み出す。火山成層圏エアロゾルは、太陽放射を反射して地表を冷却し、数年間にわたって地上放射を吸収して成層圏を温める。さらに、寒冷化傾向は、大気・氷・海洋のフィードバック機構によってさらに延長される可能性がある。これらのフィードバックは、火山エアロゾルが消散した後も長い間、寒冷な気候を維持し続ける可能性がある。
物理的プロセス
爆発的な火山噴火により、マグマ物質が火山灰やガスの形で大気中に放出されます。ほとんどの火山灰は噴火後数週間以内に地面に沈み、短期間で局所的な影響しか与えませんが、放出されたSO 2 は成層圏でH 2 SO 4エアロゾルの形成につながる可能性があります。 [1] [2]これらのエアロゾルは数週間で噴火源の半球を一周し、約1年のeフォールディング減衰時間で存続します。その結果、放射の影響は数年間続く可能性があります。[3]
成層圏における火山雲のその後の拡散と気候への影響は、噴火の季節、[4]、発生源の火山の緯度、[ 5]、噴出高度[6]など、いくつかの要因によって強く影響されます。SO 2の噴出高度が対流圏に限定されている場合、結果として生じる H 2 SO 4エアロゾルは、降水による効率的な除去により、わずか数日しか滞留しません。[6]温帯噴火で生じる H 2 SO 4エアロゾルの寿命は、熱帯噴火の場合に比べて短くなります。これは、熱帯から中緯度または高緯度の対流圏界面を越えて除去されるまでの輸送経路が長いためです。しかし、温帯噴火では、エアロゾルが単一の半球に限定されるため、半球の気候への影響が強まります。[5]また、高緯度火山の噴火では、極地の成層圏エアロゾルの除去が促進される夏季の注入に比べて、冬季の注入は放射効率がはるかに低くなります。[4]
硫酸エアロゾルは散乱を通じて太陽放射と強く相互作用し、成層圏で顕著な大気光学現象を引き起こします。これらの現象には、太陽の減光、コロナまたはビショップリング、特異な薄明色、暗い皆既月食などがあります。[7] [8]これらの大気現象を記録した歴史的記録は、火山の冬の兆候であり、西暦以前の時代にまで遡ります。[9]
過去の噴火後の表面温度の観測によると、 VEIまたは噴火量で表される噴火規模と気候寒冷化の深刻さの間には相関関係がないことが示されています。これは、噴火規模がSO2の放出量と相関しないためです。 [10]
長期的な肯定的なフィードバック
火山噴火による冷却効果は最初の数年間を超えて、数十年から数千年続く可能性があると提案されている。この長期にわたる影響は、H 2 SO 4エアロゾルが消散した後でも、氷と海洋の力学を含む正のフィードバックメカニズムの結果であると仮定されている。[11] [12] [13]
火山噴火後の最初の数年間は、H 2 SO 4エアロゾルの存在により、著しい冷却効果が引き起こされる可能性があります。この冷却により、広範囲にわたって雪線が低下し、海氷、氷冠、大陸氷河が急速に拡大する可能性があります。その結果、海水温が低下し、表面アルベドが増加し、海氷、氷冠、氷河の拡大がさらに促進されます。これらのプロセスにより、強力な正のフィードバックループが形成され、100年規模、あるいはさらに長い期間にわたって冷却傾向が持続します。[12]
一連の密集した大規模な火山噴火が、大気‐氷‐海洋の正のフィードバックを通じて小氷期[14] 、古代後期小氷期[15] 、スタディアル[16] 、ヤンガードリアス[17] 、ハインリッヒ事象[18]、ダンスガード・オシュガー事象[19]を引き起こした、あるいは増幅したという説がある。
風化の影響
急速に噴出した大量の火山物質の風化は、数千万年のタイムスケールで進行する地球のケイ酸塩風化サイクルの重要な要因であると考えられてきました。 [20]このプロセスでは、風化したケイ酸塩鉱物が二酸化炭素と水と反応し、炭酸マグネシウムと炭酸カルシウムが形成されます。これらの炭酸塩はその後、大気中から除去され、海底に隔離されます。大量の火山物質の噴火は風化プロセスを促進し、それによって大気中のCO2レベルを低下させ、地球温暖化に貢献する可能性があります。
塩基性 大火成岩地域の急速な形成は、大気中の二酸化炭素含有量の急速な減少を引き起こし、数百万年にわたる氷河気候をもたらす可能性がある。[21] [22]注目すべき例はスターティアン氷河期[a]で、これは地球史上最も深刻で広範囲に及ぶ氷河現象と考えられている。この氷河期は、噴火したフランクリン大火成岩地域の風化によって引き起こされたと考えられている。[22] [23]
過去の火山冷却
樹木の年輪に基づく気温の再構築、塵のベールの歴史的記録、氷床コアの研究により、過去5千年の間に最も寒かった年のいくつかは、大量の火山からのSO2の注入が直接の原因であったことが確認されている。[24] [25]
火山噴火による半球温度異常は、主に過去2千年間の年輪データに基づいて再構築されてきた。[b] [27] [28] [29] [30]完新世の初期の期間については、大きな氷床コア硫酸塩スパイクと一致する霜の輪の特定は、厳しい火山冬の指標として役立つ。[c] [31]最終氷期中のさらに遡る火山による冷却の定量化は、毎年分解されたδ18O記録によって可能になった。[d] [32]これは、 火山エアロゾルに起因すると決定的にされた顕著で重大な冷却の非網羅的な編集であるが、エアロゾルの発生源である火山が特定されることはほとんどない。
最終氷期には、 δ18O異常の大きさに基づいて、西暦紀元における最大の火山冷却（タンボラ火山、サマラス火山など）に匹敵する火山冷却があったと推測されている。 [36]特に、12,000～32,000年前の期間には、噴火のδ18O冷却異常のピークが、西暦紀元における最大の噴火後の異常を超えている。[37]最終氷期の噴火で大きな注目を集めているのは、最年少トバ凝灰岩（YTT）の噴火であり、気候への影響について活発な議論を巻き起こしている。
最年少のトバ凝灰岩
74,000年前のトバカルデラのYTTの噴火は、知られている中で最大の第四紀噴火とされており[38]、史上最大の噴火であるタンボラのマグマ量よりも2桁大きい。[39]この噴火の例外的な規模は、それが世界的および地域的な気候に及ぼす影響について継続的な議論を引き起こしている。
約74,000年前の極地の氷床コアから採取された硫酸塩濃度と同位体の測定により、YTTに起因する可能性のある4つの大気エアロゾルイベントが特定されました。[40]これら4つのイベントの成層圏硫酸塩負荷量は2億1,900万トンから5億3,500万トンの範囲で、これは西暦1257年のサマラス噴火の1倍から3倍に相当します。[41]地球気候モデルは、この量の硫酸塩エアロゾルが噴出した場合、地球の平均冷却のピークは2.3～4.1 Kになるとシミュレートしており、10年以内に気温が完全に回復することはありません。[42]
しかし、YTT によって誘発された寒冷化に関する実証的証拠はまちまちである。YTT は、1,500 年の寒冷化期間を特徴とするグリーンランド第 20 安定期 (GS-20) の開始と一致している。[43] GS-20 は、過去 10 万年間で最も同位体的に極端[44]かつ最も寒い安定期[45]であるとともに、最も弱いアジアモンスーン[ 46]を経験したと考えられている。このタイミングから、YTT と GS-20 の関係について推測する人もいる。[47] [48] GS-20 遷移に対する YTT の地層学的位置から、寒冷化はすでに進行していたため、YTT がなくても安定期が起こったことが示唆される。[49] [50] YTT が GS-20 の極端化に寄与した可能性がある。[50] [51]南シナ海では、 YTTの堆積後1,000年間で1 Kの寒冷化が見られましたが、 [52]アラビア海では目立った影響は見られません。[53]インドとベンガル湾では、YTTの灰層より上で初期の寒冷化と長期にわたる乾燥が観察されていますが、[45]これらの環境変化はYTT以前にすでに起こっていたと主張されています。 [54] マラウイ湖の堆積物は、YTTの噴火後数年以内に火山の冬が訪れたことを裏付ける証拠を提供していませんが、[55] [56] [57]堆積物の混合により堆積物の解像度が疑問視されています。[58]マラウイ湖のYTT層の真上には、2,000年にわたる大干ばつと寒冷化の証拠があります。[59]グリーンランドの氷床コアは、YTTエアロゾルイベントの直後に110年間の加速的な寒冷化の期間を特定している。[60]
スターティアン氷河期
7億1700万年前のスターチアン氷河期が始まる直前に噴火した大陸洪水玄武岩の強化された風化は、地球史上最も深刻な氷河期の引き金になったと認識されている。 [23] [22] [21]この期間中、地球の表面温度はどこでも水の凝固点以下に下がり、[61]氷は低緯度から赤道に向かって急速に進み、世界中を覆った。[62]この氷河期は7億1700万年前から6億5900万年前までの約6000万年続いた。[63]
地質年代学によれば、フランクリン大火成岩地域は、スターティアン氷河期が始まるわずか100万年前に、 500万km 2 (190万平方マイル)の規模で急速に形成されたとされている。 [23] 100万km 2 (39万平方マイル) 規模の複数の大火成岩地域も、8億5000万年前から7億2000万年前の間にロディニア島に形成された。 [64] [65]大量の新鮮な塩基性物質の風化により、100万年後に急速な冷却と氷アルベドフィードバックが始まった。化学同位体組成は、大規模な火成岩地域の噴火と一致して、風化した新鮮な噴出物質が大量に海洋に流入したことを示している。[66] [67]シミュレーションでは、耐候性の向上により大気中のCO2が1,320ppm程度減少し、地球の気温が8K低下し、地質学的記録の中で最も異常な気候変動のエピソードが引き起こされたことが実証されています。[68]
人生への影響
個体群ボトルネックの原因は、種の個体数 が急激に減少し、その後すぐに生存者の間で大きな遺伝的分岐（分化）が起こる時期であり、一部の研究者はこれを火山の冬に帰している。このような現象により、個体数は「小さな個体群でははるかに速く起こる進化的変化が急速な個体群分化を生むのに十分低いレベル」まで減少する可能性がある。[69]トバ湖のボトルネックにより、多くの種が遺伝子プールの縮小による大きな影響を示し、トバ湖は人類の人口を15,000～40,000人、あるいはそれ以下にまで減らした可能性がある。[69]
参照
注記
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さらに読む
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