過去600万年間にわたり大気中二酸化炭素濃度と気候の相互作用の解明

Reconstruction of atmospheric carbon dioxide concentration during 6 million years and the study of the interaction between carbon dioxide and climate　　　　　　　　　　　

課題番号：19H05595

令和元年度〜令和５年度

代表：山本正伸（北海道大学）

分担：入野智久，関宰（北海道大学），阿部彩子，吉森正和（東京大学）

協力：大石龍太（東京大学），Steve C. Clemens（ブラウン大学），Liviu Giosan（ウッズホール海洋研究所）

研究の概要

ベンガル湾の国際深海掘削科学計画（IODP）U1445地点の堆積物コアに含まれる長鎖脂肪酸の安定炭素同位体比（δ¹³C_FA）を測定し，過去600万年前のCO₂濃度を復元する．得られたデータにもとづき，鮮新世における気候感度を推定し，温暖期におけるCO₂濃度と全球気温の関係を検討する．さらに，過去600万年間のCO₂濃度と海洋深層水温度・気温・氷床量変動との関係から，CO₂濃度変動の原因を考察し，CO₂と気候の相互作用を解明する．

研究背景

温室効果は地球表層の温度を決める重要な要素である．CO₂濃度の連続的な測定は1957年以降であり，それ以前のCO₂濃度はアイスコア気泡中のガス測定により復元されている（Luthi et al., 2008など）．しかし，アイスコアの最古の氷は80万年前のものであり，それ以前のCO₂濃度の精密復元は行われていない．

代表者らは，インド洋ベンガル湾U1446地点の過去80万年間の海底堆積物コア中の長鎖脂肪酸の安定炭素同位体比（δ¹³C_FA）の変動がアイスコアCO₂濃度変動と高い負の相関を示すことを見いだした（相関係数=−0.88）．陸上植物の葉ワックスに由来する長鎖脂肪酸はインド東部から河川を通じてベンガル湾に流入しており，海底堆積物中のδ¹³C_FAはインド東部のC₃植物とＣ_４植物の植生比を反映している．CO₂濃度が低い条件ではC_４植物が生育に有利であるため，C₄植物の割合が高くなり，δ¹³C_FAが高くなる．この関係を利用してδ¹³C_FAから80万年前以前のCO₂濃度を復元することができるはずである．

国際深海掘削計画第３５３次航海（２０１４年１２月〜２月）ベンガル湾

研究の目的

本研究では，ベンガル湾の国際深海掘削科学計画（IODP）U1445地点の堆積物コアに含まれる長鎖脂肪酸の安定炭素同位体比（δ¹³C_FA）を測定し，600万年前から150万年前のCO₂濃度を約1700年解像度で復元する．得られたデータにもとづき，鮮新世における気候感度を推定し，温暖期におけるCO₂濃度と全球気温の関係を検討する．さらに，過去600万年間のCO₂濃度と海洋深層水温度・気温・氷床量変動との関係から，CO₂濃度変動の原因を考察し，CO₂と気候の相互作用を解明する．

研究の方法

ベンガル湾インド沖の国際深海掘削科学計画（IODP）U1445地点で掘削された過去600万年間の堆積物コア試料を20 cm間隔（1500-2000年間隔）で分取した．

高知コアセンターに保管されている堆積物のサブサンプリング（２０１９年，２０２０年）

過去600万年前の3200試料についてδ¹³C_FAを測定し，CO₂濃度を復元する．U1445地点はU1446地点よりも190 km南西に位置しているため，δ¹³C_FAがマハナディ川流域の南方に位置する小河川流域のδ¹³C_FAの影響を受けている可能性がある．これを検討するために過去80万年間のδ¹³C_FAとアイスコアCO₂濃度を比較し，U1445地点で有効な関係式を求める．ついで150万年前以前のδ¹³C_FAを分析し，その値から上記関係式を用いてCO₂濃度を復元する．

底生有孔虫の酸素同位体比を既知の酸素同位体比変動曲線と比較し，当てはめることにより，堆積物試料の年代を決定する（酸素同位体層序）．底生有孔虫の酸素同位体比を分析し，酸素同位体層序にもとづく年代モデルを確立する．

氷期-間氷期変動が開始し，次第に振幅が拡大した時代（300万年前から150万年前）のCO₂濃度の時代的な変化と，太平洋深層水の温度変動，全球平均気温変動，氷床体積変動を比較することにより，CO₂濃度変動の原因と全球気候変動における役割を考察する．

570万年前から550万年前の20万年間のCO₂濃度変動と同時期の全球海面温度の変化を比較することによりCO₂濃度が全球気温に及ぼした影響を評価する．

前期鮮新世の550万年前から500万年前，後期鮮新世の350万年前から300万年前のCO₂濃度と同時期の全球平均気温を比較することにより，温暖期におけるCO₂濃度の全球気温に及ぼす影響を評価する．

これまでの成果（令和２年度まで）

分取した試料について，抽出は現在3200試料中3000試料が終了した．脂肪酸の分離精製は2400試料が終了し，同位体比測定は2400試料の１回目の測定が終了した．現在，残りの試料の抽出，分離精製，同位体比測定（2回目分析を含む）を実施中である．

過去80万年間のCO₂濃度復元値は，アイスコアのCO₂濃度およびU1446地点でのCO₂濃度復元値と良い一致を示し，当研究で用いているCO₂濃度復元手法をU1445地点に適用することが妥当であることが確かめられた．

国際深海掘削科学計画（IODP）U1445地点での船上分析により得られた生層序と非破壊分析の結果に基づき仮の年代モデルを作成した．さらに，底生有孔虫の拾い集め，同位体比質量分析計を用いて酸素同位体比を分析した．現在まで2700試料のうち400試料の分析が終了した．

U1446地点で得られたCO₂濃度変動記録と堆積物中のGDGT，浮遊性有孔虫の酸素同位体比，脂肪酸の水素同位体比にもとづく過去150万年間の降水量変動を比較し，δ¹³C_FA変動の2-10%は降水量変動により， 78%がCO₂濃度変動でより説明可能であることを示した．δ¹³C_FA変動は基本的にCO₂変動を反映していることが明らかになった．

CO₂濃度と降水量の変動がインド東部のC₃/C₄植生に与える影響を植生モデルを用いて検討した．その結果，CO₂濃度変動は降水量変動の7.5倍δ¹³C_FA変動に影響を与えることが示された．このモデルの結果からも，δ¹³C_FA変動は基本的にCO₂変動を反映していることが明らかになった．

発表論文等

McGrath, S. M., Clemens, S. C., Huang, Y., & Yamamoto, M. (2021). Greenhouse gas and ice volume drive Pleistocene Indian Summer Monsoon precipitation isotope variability. Geophysical Research Letters, 48, e2020GL092249.

O'ishi, R., Chan, W.-L., Abe-Ouchi, A., Sherriff-Tadano, S., Ohgaito, R., & Yoshimori, M. (2021). PMIP4/CMIP6 last interglacial simulations using three different versions of MIROC: importance of vegetation. Clim. Past, 17, 21–36.

吉森正和．2020年度日本気象学会賞．古気候シミュレーションを活用した気候感度および気候フィードバックのメカニズムに関する研究.