上層大気は冷却しつつあり、科学者たちは懸念している

この記事はもともと Yale Environment 360 によって公開されたもので、Climate Desk コラボレーションの一環としてここに掲載されています。

私たちの気候変動の中心には矛盾があります。地球の表面近くの空気層が温暖化している一方で、上空の大気の大部分は劇的に寒くなっています。数マイルの底の空気を温めているのと同じガスが、宇宙の端まで広がる上空のはるかに広い範囲を冷却しています。

この矛盾は気候モデラーによって長い間予測されてきましたが、衛星センサーによって詳細に定量化されたのはつい最近のことです。新しい発見は、1 つの重要な問題について決定的な確認を提供しますが、同時に他の疑問も引き起こします。

気候科学者にとって朗報は、上空の冷却に関するデータが、地表の温暖化が人為的であると特定するモデルの正確性を裏付けるだけではないということだ。ウッズホール海洋研究所のベテラン気候モデラー、ベン・サンター氏が今月ジャーナルPNASに発表した新しい研究では、背景からの干渉「ノイズ」を減らすことで、気候変動の人間の指紋の「信号」の強度が5倍に増加したことが判明した自然の変動。サンター氏は、この発見は「議論の余地がない」と述べている。

しかし、上空の冷却の規模に関する新たな発見は、大気物理学者に新たな懸念を残している。周回衛星の安全性、オゾン層の運命、そして地球上に突然の予期せぬ混乱が訪れるこれらの急速な変化の可能性について。以下の天気。

最近まで、科学者たちは高層大気の辺境地帯についてほとんど何も知らなかったため、この地帯を「無知圏」と呼んでいました。それでは、彼らがより多くのことを知った今、私たちは何を学んでいるのでしょうか、そしてそれは私たちを安心させるべきでしょうか、それとも警告すべきでしょうか？

地球の大気にはいくつかの層があります。私たちが最もよく知っている地域は、私たちの天気が起こる場所であるため、対流圏です。厚さ 5 ～ 9 マイルのこの高密度の空気のブランケットには、大気の質量の 80 パーセントが含まれていますが、その体積のほんの一部にすぎません。その上には、空気の密度が徐々に低くなる広く開いた空間があります。成層圏は上空約 30 マイルで終わり、次に中間圏が 50 マイルまで広がり、次に熱圏が上空 400 マイル以上に達します。

下から見ると、これらの遠く離れたゾーンは、穏やかで自然のままの青い空のように見えます。しかし実際には、時折対流圏に侵入する強風や巨大な上昇気流と下降気流によって打撃を受けています。そして懸念されるのは、上空の空気の温度、密度、化学的性質を乱すCO2や他の人工化学物質が侵入し、このすでにダイナミックな環境が再び変化する可能性があるということだ。

気候変動は、ほとんどの場合、大気の最下層地域の観点から考えられます。しかし物理学者たちは現在、この仮定を再考する必要があると警告している。バージニア州ハンプトンにある NASA ラングレー研究センターの大気物理学者、マーティン・ムリンザック氏は、CO2 量の増加は今や「知覚できる大気全体に現れている」と述べ、「劇的な変化を引き起こしており、科学者たちは今まさにそれを始めようとしている」と述べた。把握する。" 私たちの頭上はるか上にある野生の青の変化は、フィードバックされて下界の世界を変える可能性があります。

大気中のあらゆるレベルでの温度変化の話は、主に CO2 の話です。私たちは、年間 400 億トンを超えるガスの排出が対流圏を温暖化させていることをよく知っています。これは、ガスが太陽放射を吸収して再放出し、濃い空気中の他の分子を加熱し、全体の温度を上昇させるために起こります。

しかし、ガスのすべてが対流圏に留まるわけではありません。また、大気全体に上向きに広がります。現在では、大気の上部での濃度の増加率が下部と同じくらい大きいことがわかっています。しかし、上空の温度に対する影響は大きく異なります。上空の薄い空気では、CO2 によって再放出される熱のほとんどは他の分子に衝突しません。宇宙へ逃げてしまいます。より低いレベルで熱がより多く閉じ込められることと組み合わせると、その結果、周囲の大気が急速に冷却されます。

最近、衛星データにより、2002 年から 2019 年の間に、中間圏と下部熱圏が 3.1 °F (1.7 ℃) 冷却されたことが明らかになりました。ムリンザク氏は、今世紀後半までに CO2 レベルが 2 倍になる可能性が高いと考えられており、これらの地域では約 13.5 °F (7.5 度) の寒冷化が引き起こされると推定しています。これは、地上で予想される平均的な温暖化の 2 倍から 3 倍の速さです。

初期の気候モデラーは 1960 年代に、この対流圏の温暖化と上層部の強い寒冷化の組み合わせが、大気中の CO2 増加の影響である可能性が高いと予測しました。しかし、衛星測定による最近の詳細な確認により、CO2が大気温度に及ぼす影響に対する確信が大幅に高まったと、30年間気候変動のモデルを研究してきたサンター氏は言う。

今月、彼は成層圏の中層および上部の寒冷化に関する新しいデータを使用して、気候変動における人間の指紋の統計的な「シグナル」の強さを再計算した。彼は、特に自然の温度変動による上層大気中の背景「ノイズ」のレベルが低いことによってもたらされる追加の利点により、それが大幅に強化されることを発見した。サンター博士は、人間の影響による信号対雑音比が 5 倍に増加し、「地球大気の熱構造が人間に影響を与えていることの議論の余地のない証拠」を提供していることを発見しました。私たちはその熱構造を「根本的に変えている」と彼は言います。「この結果はとても心配です。」

スペースシャトルエンデバーから見た、大気のいくつかの層、つまり中間圏 (青)、成層圏 (白)、対流圏 (オレンジ) が示されています。 NASA

上空の変化を分析する研究の多くは、NASA に雇用されている科学者によって行われています。同宇宙機関は何が起こっているかを測定するための衛星を保有しているが、衛星自体の安全性への影響にも特に関心を持っている。

このような関心が生じるのは、上空の空気が冷却されると収縮するためです。文字通り、空が落ちてきています。

プラハのカレル大学の大気物理学者ペトル・ピソフト氏によるNASAデータの分析によると、成層圏の深さは1980年以来約1パーセント、つまり1,300フィート減少した。成層圏の上空で、ムリンチャクは、2002 年から 2019 年の間に中間圏と下部熱圏が約 4,400 フィート縮小したことを発見しました。この縮小の一部は、その後終了した太陽活動の短期的な低下によるものですが、そのうちの 1,120 フィートは、余分な CO2 によって冷却が引き起こされる、と彼は計算しています。

この縮小は、上層大気の密度が薄れることを意味し、その結果、低軌道にある衛星やその他の物体にかかる抵抗が減少する――2070年までに約3分の1減少すると、英国南極観測所の研究員イングリッド・クノッセンは計算する。

一見すると、これは衛星通信事業者にとって朗報です。ペイロードは地球に落下する前に、より長く動作し続ける必要があります。しかし、問題はこれらの高度を共有する他の天体です。軌道上に取り残されたさまざまな種類の機器の破片である宇宙ゴミの量も増加しており、滞留期間も長くなり、現在運用されている衛星と衝突する危険性が高まっています。

国際宇宙ステーションを含む 5,000 基以上の現役および廃止された衛星がこれらの高度の軌道上にあり、既知の 30,000 個以上の直径 4 インチを超えるデブリも伴っています。クノッセン氏によれば、冷却と収縮が加速するにつれ、衝突の危険はますます増大するという。

これは宇宙機関のビジネスには悪いかもしれないが、上空の変化は私たちの下界にどのような影響を与えるだろうか？

大きな懸念の一つは、皮膚がんの原因となる有害な太陽放射から私たちを守っている成層圏下部のオゾン層がすでに脆弱な状態であることです。 20 世紀の大部分において、オゾン層は、クロロフルオロカーボン (CFC) などのオゾンを食べる化学物質の産業排出による攻撃を受けて薄くなりました。毎年春になると、南極大陸上空に完全なオゾンホールが形成されました。

1987 年のモントリオール議定書は、これらの排出を排除することで毎年発生する穴を修復することを目的としていました。しかし、成層圏の冷却という別の要因がこの取り組みを台無しにしていることが現在では明らかになっています。

オゾン破壊は極地成層圏の雲の中で過剰に作用し、極地成層圏の雲は非常に低い温度でのみ形成され、特に冬の極地上空で発生します。しかし、成層圏が低温になると、そのような雲が形成される機会が増えることになります。南極のオゾン層はフロン類の消滅に伴いゆっくりと再形成されているが、北極は違うことが証明されつつある、とドイツのポツダムにあるアルフレッド・ウェゲナー極地海洋研究所のピーター・フォン・デル・ガーテン氏は言う。北極では寒冷化によりオゾン損失が悪化しています。フォン・デア・ガーテン氏は、この違いの理由は明らかではないと言う。

2020年の春、北極では初の本格的なオゾンホールが発生し、所々でオゾン層の半分以上が失われ、これがCO2濃度の上昇の原因だとフォン・デア・ガーテン教授は考えている。それは多くの最初のものかもしれません。『Nature Communications』誌に掲載された最近の論文の中で、同氏は、寒冷化が続いているということは、オゾン層が今世紀半ばまでに完全に回復するという現在の予想がほぼ確実に楽観的すぎることを意味していると警告した。現在の傾向について同氏は、「季節的に北極柱のオゾンが大幅に失われるのに有利な状況は、今世紀末まで続くか、あるいはさらに悪化する可能性がある…一般に考えられているよりもずっと長く続く可能性がある」と述べた。

これまでの南極のオゾンホールの下の地域にはほとんど人がいなかったが、将来の北極のオゾンホールの下の地域は、中央ヨーロッパや西ヨーロッパを含め、地球上で最も人口密度が高い地域になる可能性があるため、このことはさらに懸念される。オゾン層の薄化が 20 世紀の悩みだと思っているなら、考え直さなければならないかもしれません。

化学だけが問題ではありません。大気物理学者らはまた、冷却によって上空の空気の動きが変化し、地上の天候や気候に影響を及ぼす可能性があると懸念を強めている。これらの現象の中で最も乱流の 1 つは、突然の成層圏温暖化として知られています。成層圏の西風は周期的に逆転し、その結果、成層圏の一部が 2 ～ 3 日で 90 F (50 C) も温暖化する大きな温度変動が発生します。

これは通常、対流圏の上部で大西洋のジェット気流に押し寄せる空気の急速な沈下を伴います。北半球の広範囲にわたる気象システムを動かすジェット気流が蛇行し始めます。この擾乱は、持続的な激しい雨から夏の干ばつ、そして北アメリカ東部からヨーロッパやアジアの一部に数週間にわたる極寒の冬の天候を引き起こす可能性のある「ブロッキング高気圧」に至るまで、さまざまな異常気象を引き起こす可能性があります。

これだけはすでに知られています。過去 20 年間、気象予報士はそのような成層圏の影響をモデルに組み込んできました。英国政府の予報機関である気象庁によると、これにより長期予報の精度が大幅に向上したという。

現在問われているのは、余分な CO2 と成層圏全体の冷却が、これらの突然の温暖化現象の頻度と強度にどのような影響を与えるかということです。この現象を研究しているイギリスのエクセター大学の気候科学者マーク・ボールドウィン氏は、成層圏の急激な温暖化は確かに二酸化炭素の増加に敏感であるという点でほとんどのモデルが同意していると述べている。しかし、より多くの突然の温暖化現象を予測するモデルもあれば、より少ないことを示唆するモデルもあります。もっと多くのことがわかれば、「長期天気予報と気候変動予測の両方に対する信頼性の向上につながる」とボールドウィン氏は言う。

コロラド大学ボルダー大学の大気物理学者ゲイリー・トーマス氏が言うように、「上空で何が起こっているかをモデルで正しく理解できなければ、下界で物事が間違っている可能性がある」ということがますます明らかになってきています。しかし、高層大気がどのように機能するかについてのモデルを改良し、その精度を検証するには、上空の実際の状況に関する優れた最新のデータが必要です。そして、そのデータの供給は枯渇しつつあるとムリンザク氏は警告する。

過去 30 年間にわたって大気上層から情報を提供し、同氏や他の人々による寒冷化と収縮の予測を伝えてきた衛星のほとんどが寿命を迎えつつある。この事件に関与したNASAの衛星6機のうち、1機は12月に故障し、もう1機は3月に廃止され、さらに3機がまもなく停止する予定だ。「まだ新しいミッションの計画や開発はありません」と彼は言う。

ムリンチャク氏は、上層大気を「気候変動の次のフロンティア」として議論するために、今秋アメリカ地球物理学連合で企画する特別セッションで監視への関心を再燃させたいと考えている。継続的な監視がなければ、間もなく無知圏の時代に逆戻りしてしまうのではないかと懸念されています。

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