Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

動物進化 / 新原生代 / 安定同位体 / 海綿動物 / 炭素循環 / 全球凍結 / 微量元素 / 古気候

新原生代に起こった多細胞動物の進化と気候激変を関連づけるために，中国・ブラジル・スペインでエディアカラ系の堆積岩を調査し，岩石・化石試料を採集した。その結果，貴州省において未記載の海綿骨片化石を，ブラジル国バーイア州では骨片を持たない海綿動物と思われる化石を発見した。後者に共産する直径4mmほどの球形構造はおそらく海綿動物の卵であると考えられる。炭素同位体層序の結果は，これらの海綿動物化石がエディアカラ紀前期のものであることを示す。この時期の地球表層は酸素に乏しく，海水には大量の有機物が懸濁していた。海綿動物はこの海洋条件に適応するため，固着性の濾過栄養動物として進化したと考えられる。

古気候 / 大気大循環モデル / 全球凍結 / 古気候モデリング / 炭素循環 / 気候感度 / 原生代 / 気候 / 氷床 / 大循環モデル

地球上には長い目でみれば生命が存在するような温暖な環境が保たれてきた。ところが、原生代前期と原生代後期において、低緯度の陸が氷で覆われるほどの氷河期が出現したこと、その後急激な温暖化で気候が回復したことなどが最近明らかになった。このような地球規模の大寒冷化では全球凍結状態が実現したのではないかと考えられ、スノーボールアース仮説とよばれている。本研究では、大循環モデルと炭素循環モデルを用いて、地球の過去に見られるような全球規模の凍結や融解がどのような条件で起こりうるものなのかを数値実験によって明らかにすることを大目標としている。
本研究では、まず、大循環モデルによる全球凍結の臨界条件決定のための数値実験を数多く行ない、全球凍結に至る気候遷移過程や全球凍結から脱する遷移過程などを調べた。大循環モデル(東京大学気候システム研究センター/環境研にて開発)を用いて、気候感度をしらべるためのエネルギーバランスモデルと同様の系統的実験を行った。季節変化のある場合とない場合、現実のように大陸配置がある場合をまったくなくてすべて海の場合のような異なるケースに対して、異なる太陽定数を設定した実験を、系統的に実行した。結果は、全球凍結に陥る条件については、季節変化の有無に敏感であることがわかった。また、大循環モデルの結果は、地球が部分凍結している条件の範囲がエネルギーバランスモデルで求めたものよりずっと広く、これはハドレー循環や中緯度擾乱など大気輸送メカニズムを考慮したことによることがわかった。
海洋熱輸送の変化の寄与を考えずに大気熱輸送の寄与のみを考える限りにおいては、大陸配置はほとんど臨界条件に影響を与えないことがわかった。さらに、大陸配置依存性は、少なくとも降水や蒸発に関わる大気水循環を通じて、炭素循環や氷床形成条件に影響を与えることなどが示唆された。今後この結論は海洋循環や海氷力学の扱いによって変更される可能性があることが、予備的に現在開発中の大気海洋海氷結合モデルの示す南北半球の違いから示唆された。また氷床の力学が臨界条件を変更することが予想される。今後は、大循環モデルの結果を氷床モデルや炭素循環システムのモデルに与えて数値実験を行なうこと、さらに海洋および海氷の効果と氷床力学の効果について検討してゆくこと、など課題は多く残されている

全球凍結 / スノーボール・アース / 地球システム / 炭素循環 / 原生代

原生代の氷河期には低緯度氷床が存在した証拠が発見されており,地球全体がほぼ完全に凍結したのではないかと考えられている.本研究では,このスノーボール・アース現象の物理化学過程に関する理論的検討を行った.
まず,地球放射の二酸化炭素分圧依存性を考慮した南北1次元エネルギーバランス気侯モデルと炭素循環モデルを新たに開発した.これらのモデルを用いて,炭素循環システムと気侯システムの挙動を解析した結果,スノーボール・アース現象は大きく4段階に分けて考えることができ,各段階における支配プロセス及び特性時間は大きく異なることを明らかにした.また,スノーボール・アース現象が生じる条件は二酸化炭素濃度がある臨界値にまで低下すること,そこにおいては大気海洋系に対する二酸化炭素の正味供給率がほぼゼロになっていることを明らかにした.
一方,原生代には3度の大氷河時代が知られているが,そのすべてに低緯度氷床が存在した証拠があり,スノーボール・アース現象を引き起こしやすい要因が存在した可能性が高い.そこでまず,異なる太陽放射条件のもとで,原生代における全球凍結条件の達成されやすさについて検討を行った.その結果,原生代の弱い太陽放射の影響は,当時の地表面に陸上高等植物が存在していなかったことによる低い風化強度の影響によって完全にうち消されてしまうことが分かった.
地質学的研究によれば,原生代後期には海水の炭素同位体比が大きく変動していたことが分かっている.そこで次に,炭素循環モデルに炭素同位体比の時系列データを与えて炭素循環システムの変動を調べた.すると,氷河期直前には海洋における生物生産性が非常に高まることが分かった.生物生産性の増加は二酸化炭素の固定率の増加を意味するため,これがスノーボール・アース現象の直接的原因であった可能性が高いといえる.

【研究分担者】
長谷川卓	金沢大学	自然システム学系	教授	(Kakenデータベース)
高島千鶴	佐賀大学	文化教育学部	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
田近英一	東京大学	大学院理工学研究科地球惑星科学専攻	助教授	(Kakenデータベース)