北アフリカの気候サイクル

北アフリカの気候サイクルは、数百万年にも遡る独特の歴史を持っています。サハラ砂漠の周期的な気候パターンは、北アフリカモンスーンの強さの大きな変動によって特徴付けられます。北アフリカモンスーンが最も強い時期には、年間降水量が増加し、それに伴いサハラ砂漠地域の植生も増加し、一般的に「緑のサハラ」と呼ばれる状態になります。一方、北アフリカモンスーンが比較的弱い時期には、その逆の現象が起こり、年間降水量と植生が減少し、サハラ砂漠の気候サイクルのある時期は「砂漠のサハラ」と呼ばれます。[ 1 ]

サハラ砂漠地域の気候の変動は、最も単純なレベルでは、地球の軌道パラメータの緩やかな変化による日射量の変化に起因すると考えられる。これらのパラメータには、ミランコビッチ理論によって提唱された春分点歳差運動、黄道傾斜角、そして離心率が含まれる。[ 2 ]春分点歳差運動は、「緑のサハラ」と「砂漠のサハラ」のサイクルの形成において最も重要な軌道パラメータと考えられている。

2019年1月にMITがScience Advances誌に発表した論文では、約2万年ごとに湿潤から乾燥へのサイクルが起こることが示されています。[ 3 ] [ 4 ]

軌道モンスーン仮説

発達

地球の軌道パラメータの変動によって引き起こされる日射量の変化が、地球全体のモンスーンパターンの強度の長期的な変動を制御する要因であるという考えは、19世紀後半にルドルフ・シュピタラーによって初めて提唱されました。[ 5 ]この仮説は後に、 1981年に気象学者ジョン・クッツバッハによって正式に提唱され、検証されました。 [ 6 ]クッツバッハによる日射量が地球規模のモンスーンパターンに与える影響に関する考えは、今日では長期的なモンスーン周期の根底にある要因として広く受け入れられています。クッツバッハはこの仮説に正式な名前を付けたことはなく、ここでは2001年にラディマンによって提唱された「軌道モンスーン仮説」と呼びます。[ 5 ]

日射量

日射量は、特定の期間に特定の表面積が受け取る太陽放射の量を単純に測ったもので、軌道モンスーン仮説の背後にある基本的な要素です。熱容量の変動により、大陸は、日射量が最も強い夏の数か月間に周囲の海洋よりも速く温まり、日射量が最も弱い冬の数か月間に周囲の海洋よりも速く冷えます。大陸/海洋日射温度勾配から生じる風のパターンは、モンスーンとして知られています。夏の日射量の値は、冬の値よりも地域の気候にとって重要です。これは、モンスーンの冬期は常に乾燥しているためです。したがって、モンスーン気候の動植物は、モンスーンの夏期に降る雨量によって決まります。[ 5 ]日射量は、軌道パラメータに基づく非常に複雑なサイクルで数万年から数十万年の期間にわたって変化します。この日射量サイクルの結果、地球全体でモンスーン気候の強さが増減します。幅広い地質学的証拠から、北アフリカモンスーンは特に日射量サイクルの影響を受けやすく、モンスーンの強さの長期的な傾向は日射量の緩やかな変動と関連している可能性があります。しかし、「緑のサハラ」から「砂漠のサハラ」への急激な移行は、日射量サイクルの長期的な変化だけでは完全に説明できません。

歳差運動

地球における春分点歳差運動は、 2つの異なる段階に分けられます。最初の段階は地球の自転軸の揺れによって生じ、軸歳差運動と呼ばれます。一方、2番目の段階は遠心歳差運動または楕円歳差運動と呼ばれ、太陽の周りを回る地球の楕円軌道のゆっくりとした回転に関連しています。これら2つの段階が組み合わさることで、23,000年の強い周期と19,000年の弱い周期を持つ春分点歳差運動が生じます。[ 5 ]

北アフリカモンスーンの強さの変動は、23,000年の歳差運動周期の強さと強く関係していることが分かっている。[ 2 ] [ 7 ] [ 8 ]歳差運動周期と北アフリカモンスーンの強さとの間に関係があるのは、歳差運動が特定の半球で受ける日射量に影響を与えるからである。歳差運動周期が近日点で北半球が太陽の方向を向くように揃うと、北半球の日射量は最大になる。軌道モンスーン仮説によると、この日射量の最大化によって北半球のモンスーン循環が強くなる。スペクトルの反対端では、遠日点で北半球が太陽の方向を向くと、日射量が最小となり、北アフリカモンスーンは最も弱くなる。

傾斜

黄道傾斜角（または（軸）傾斜角）は、地球の自転軸が地球の公転面に対して垂直な線となす角度を指します。現在の地球の自転軸の傾きはおよそ23.5°です。しかし、地球全体の質量分布の不均一性と、太陽、月、その他の惑星との重力相互作用により、長い時間をかけて地球の自転軸の傾きは変化します。これらの相互作用により、地球の自転軸の傾きは41,000年周期で22.2°から24.5°の間で変化します。[ 5 ]

歳差運動による日射周期の変調は、黄道傾斜が北アフリカモンスーンに及ぼす主な影響である。黄道傾斜が北アフリカモンスーンの強度に及ぼす影響の証拠は、東地中海の海洋コアの塵の堆積物の記録の中に見つかっている。この記録は風成作用の結果として生じたものである。[ 2 ]黄道傾斜が日射に及ぼす最も強い影響は高緯度で見られるため、この証拠を説明するには複雑なフィードバック機構が必要である。東地中海の風成塵堆積物で見つかった黄道傾斜トレーサーの存在については、2 つのメカニズムが提案されている。1 つ目は、黄道傾斜が高い時期に、北半球の夏 (北半球では夏) の両極と南半球の赤道との間の温度勾配が大きくなることを示唆している。この勾配の結果、北アフリカモンスーンの強度が増加する。北アフリカの気候記録に黄道傾斜の特徴が見られることを説明できる2つ目の理論は、黄道傾斜が熱帯地方の緯度の変化に関係している可能性があるというものです。[ 2 ]熱帯地方の緯度範囲は、熱赤道の最大移動経路によっておおよそ定義されます。この領域は現在、南回帰線と北回帰線の間に位置しています。しかし、黄道傾斜が変化すると、熱赤道の全体的な移動経路は南北に22.2°から24.5°の間をシフトします。この移動は北アフリカ夏季モンスーン前線の位置に影響を与え、その結果、北アフリカモンスーンの強さの認識に影響を与える可能性があります。黄道傾斜が北アフリカモンスーンに与える影響のさらなる確認は、大気・海洋・海氷を完全結合した全球気候モデルによって提供されており、歳差運動と黄道傾斜が組み合わさって日射フィードバックを通じて北アフリカの降水量を増加させる可能性があることが確認されています。[ 8 ]

偏心

軌道離心率は、地球の軌道が完全な円からどれだけずれているかを示す尺度です。地球の軌道が完全な円であれば離心率は 0 となり、離心率 1 であれば放物線になります。地球には、10 万年と 40 万年の周期で発生する 2 つの離心率サイクルがあります。長年にわたり、地球の離心率は 0.005 から 0.0607 の間で変化してきましたが、現在、地球の軌道の離心率はおよそ 0.0167 です。[ 5 ]離心率の値は地球と太陽の距離に影響しますが、日射量への主な影響は、太陽の公転周期の調整効果によるものです。たとえば、地球の軌道が高度に楕円形の場合、一方の半球では夏は暑く、冬は寒くなり、年間日射量勾配が平均よりも大きくなります。同時に、他の半球では年間日射量勾配が平均より小さいため、夏は暖かく、冬は涼しくなります。

黄道傾斜角と同様、離心率は北アフリカモンスーンの強さの主な要因とは考えられていない。むしろ、離心率は歳差運動周期によって生じる日射量の極大と極小の振幅を調整する。歳差運動周期が離心率によって調整されることを強く裏付ける証拠は、東地中海の風成塵堆積物に見出される。詳しく調査すると、ヘマタイトフラックスの低位および高位の期間は、10 万年および 40 万年の離心率周期の両方に対応していることがわかる。東地中海の塵記録における離心率周期のこの証拠は、離心率と歳差運動による日射量の極大が一致する時期に北アフリカモンスーン前線がより強く北進することを示していると考えられている。[ 2 ]歳差運動周期に対する離心率の調整効果は、全球の完全に結合した大気・海洋・海氷気候モデルを用いても示されている。[ 8 ]

遅れ

軌道モンスーン仮説の重要な問題点の一つは、気候記録の詳細な調査から、北アフリカモンスーンの観測極大期と予測極大期の間に1000年から2000年の遅れがあることが示唆されていることです。この問題は、軌道モンスーン仮説が、軌道力による日射量の変化に対して気候システムが瞬時に反応すると仮定しているために発生します。しかし、この問題にはいくつかの解決策があります。最も合理的な解決策は、今日の気候との単純な類似例で示すことができます。現在、太陽放射のピークは6月21日に発生しますが、北アフリカにおける夏季モンスーンのピークは1か月後の7月です。このような1か月の遅れは、モンスーン循環極大期の約1500～2000年の遅れとして表されるはずである。なぜなら、19,000～23,000年の歳差運動周期における7月の日射量極大期は、6月の日射量極大期から約1500～2000年後に発生するからである。データで観測された遅れについては、他に2つの説明が提案されている。1つ目は、亜熱帯におけるモンスーンの発達が、極地の氷床の緩やかな融解によって緩和されていることを示唆している。したがって、極地の氷床が非常に小さくなり、年間モンスーンの発達への影響が最小限になるまで、モンスーンパターンの完全な強さは観測されない。2つ目の代替解決策は、氷河期から残った比較的冷たい熱帯の海が、より冷たい海は水分の供給源としてそれほど強力ではないため、当初は世界的にモンスーンの発達を遅らせる可能性があると提案している。[ 5 ]

裏付けとなる証拠

腐植土

腐泥は重量の2%を超える有機炭素を含む、有機物に富んだ暗い色の海洋堆積物です。東地中海では、北アフリカの歳差運動サイクルで日射量が最大となる期間に一致する海洋堆積物コアで腐泥の層が見つかります。 [ 9 ] [ 10 ]このような配置は、北アフリカモンスーンとの関連で説明できます。日射量が多い時期には、北アフリカモンスーン前線が強くなり北上するため、ナイル川流域の上中流域で非常に激しい雨が降ります。この雨は北に流れて東地中海に流れ込み、そこで栄養分に富んだ淡水が大量に流入することで急激な塩分鉛直勾配が生じます。その結果、熱塩対流が遮断され、水柱は安定して成層します。この安定した成層構造が形成されると、東地中海の底層水は急速に酸素が枯渇し、栄養分に富む表層水から大量に流入した浮遊性有機物が腐泥として保存されます。 [ 11 ]腐泥の形成とナイル川の流量増加を結びつける重要な証拠の一つは、腐泥が間氷期と氷期の両方で発生しているという事実です。したがって、腐泥の形成はナイル川からの淡水流量と関連しているはずであり、氷床の融解水とは関連していないはずです。[ 12 ]

古代の湖

サハラ砂漠に大きな湖が存在した証拠は、地質学的記録から見つけられ、解釈することができます。これらの湖は、歳差運動の周期が日射量が最大となる時期に近づくと満たされ、歳差運動の周期が日射量が最小となる時期に近づくと枯渇します。これらの古代湖で最大のものはメガチャド湖で、ピーク時には深さが 173 メートル、面積がおよそ 400,000 km 2ありました。[ 13 ]現在、このかつて巨大だった湖の残骸はチャド湖として知られており、最大深さは 11 メートル、面積はわずか 1,350 km 2です。古代メガチャド湖の湖岸線の衛星画像により、湖は北東と南西の 2 つの異なる風向の下で存在していたことが明らかになっています。北東の風向は今日の風のパターンと一致しており、弱いモンスーン流の特徴です。一方、南西風はより強いモンスーン流の特徴である。[ 13 ]

淡水珪藻類

北アフリカモンスーンの経時的制御を示すもう一つの重要な証拠は、熱帯大西洋の淡水珪藻類の堆積物に見ることができる。熱帯大西洋の海洋コアには、淡水珪藻類Aulacoseira granulata (別名Melosira granulata)の明確な層があることが発見されている。これらの層は 23,000 年の周期で発生し、歳差運動による日射量が最大になる時期からおよそ 5000 年から 6000 年遅れている。[ 5 ] [ 14 ]これらの周期的な淡水珪藻類の堆積物を説明するには、アフリカのサハラ地域の内陸部に目を向ける必要がある。歳差運動周期の日射量が最大になる頃は、北アフリカモンスーンが最も強く、サハラ地域には大きなモンスーン湖が広がる。その後、日射量が最小になる頃になると、北アフリカモンスーンの弱まりによりこれらの湖は干上がり始める。湖が干上がると、淡水珪藻類を含む薄い堆積物が露出します。最終的に、冬に卓越北東風が到来すると、乾燥した湖底の淡水珪藻類堆積物は塵となって巻き上げられ、熱帯大西洋へと数千キロメートルも運ばれます。この一連の出来事から、淡水珪藻類堆積物の5000～6000年の遅延の理由は明らかです。なぜなら、サハラ砂漠のモンスーン湖が干上がり、潜在的な淡水珪藻類の供給源が露出するには、北アフリカモンスーンが十分に弱まらなければならないからです。[ 5 ]淡水珪藻類堆積物で留意すべき重要な要素の1つは、種の識別です。例えば、アフリカ西海岸沖の海洋コアの一部には、淡水湖と河川の珪藻類が混在していることが示されています。そのため、サハラ砂漠の珪藻サイクルを正確に表すコアは、河川流出の影響が最小限に抑えられるよう、海岸から十分な距離がある熱帯大西洋の地域から採取されなければなりません。[ 15 ]

東部赤道大西洋湧昇

東部赤道大西洋湧昇帯の強さの観測された変動は、歳差運動周期によって規制されている北アフリカモンスーンの周期を裏付けるためにも使用できます。歳差運動周期中に北アフリカの日射量がピークになる場合、赤道大西洋上の東貿易風はサハラ砂漠の方向に大きく逸れます。この逸れにより東部赤道大西洋の赤道湧昇帯が弱まり、外洋の海水が温かくなります。スペクトルの反対端では、歳差運動周期により北アフリカの日射量が最小になる場合、東貿易風の逸れは比較的弱くなります。このため、東部赤道大西洋の湧昇帯は強いままで、外洋の海水は冷たくなります。[ 16 ]東赤道大西洋湧昇の周期的な弱化パターンの存在を示す証拠は、海洋堆積物コア中の表層に生息するプランクトン生物の堆積物に見出される。これらのコアは、温水性プランクトンと冷水性プランクトン種の相対的な存在量が23,000年の周期で変化し、23,000年の歳差運動による日射量周期と一致していることを示す。[ 5 ]

アフリカ湿潤期

気候学

アフリカ湿潤期は14,800年から5,500年前に発生し、「緑のサハラ」が最後に発生した時期です。アフリカ湿潤期のサハラ砂漠は強い北アフリカモンスーンに支配され、年間降水量は現在よりも多かった。[ 17 ]降水量の増加に伴い、北アフリカの植生パターンは現在とは全く異なっていました。例えば、サハラ砂漠の大部分はステップとしても知られる広大な草原が特徴でした。一方、サハラ砂漠の南にあるサヘル地域は大部分がサバンナでした。 [ 18 ]今日、サハラ砂漠の大部分は砂漠であり、サヘルはサバンナの草原が特徴です。アフリカ湿潤期は、サハラ砂漠に大規模な湖、川、デルタからなる広大な水路網が存在したことも特徴です。 4つの最大の湖は、メガチャド湖、メガフェザン湖、アネット・ムイディル・メガレイク、そしてショッツ・メガレイクでした。この地域には、セネガル川、ナイル川、サハビ川、クフラ川といった大河川がありました。これらの河川と湖沼は、人間を含む多くの動物種がサハラ砂漠全域に生息範囲を拡大するための回廊となっていました。[ 19 ]

発症と終結

アフリカ湿潤期の始まりと終わりに関する地質学的証拠は、アフリカ湿潤期の始まりと終わりがどちらも急激であったことを示唆しています。実際、どちらの出来事も数十年から数世紀のタイムスケールで発生した可能性が高いです。アフリカ湿潤期の始まりと終わりはどちらも、日射量サイクルが現在よりも約4.2%高い値に達したときに起こりました。しかし、日射量サイクルの変化は緩やかすぎるため、アフリカ湿潤期の始まりと終わりに見られるような急激な気候変化を単独で引き起こすことはできません。そのため、サハラ砂漠の気候の急激な変化を説明するために、いくつかの非線形フィードバックメカニズムが提案されています。最も一般的に検討されている非線形フィードバックメカニズムの一つは、植生と大気の相互作用です。[ 19 ]北アフリカ全域の植生と大気の相互作用と日射量を観測するコンピュータモデルは、「緑のサハラ」と「砂漠のサハラ」の間の急激な遷移をシミュレートできることが示されています。[ 1 ] [ 20 ]このように、これらのモデルの結果は植生-日射閾値が存在する可能性を示唆しており、この閾値に達すると、サハラ地域は「緑のサハラ」から「砂漠のサハラ」へ、あるいはその逆へと急速に移行する可能性があります。

参照

参考文献

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