気候変動により永久凍土が融解し、温室効果ガスや太古の微生物が大気中に放出されています。
研究によると、これらの微生物には、水滴を凍りやすくする氷晶核形成粒子が含まれている可能性があります。
これらの粒子が大気や、その結果として生じる天候や雲にどのような影響を与えるのかは、まだ十分に明らかになっていません。
基本的な考え方
永久凍土（極北の凍結した土壌）は融解しつつあり、温室効果ガスを放出しており、さらに何千年も前に閉じ込められていた微生物も放出しています。しかし、永久凍土に雲や天候に影響を与える特定の種類の粒子が含まれているかどうかは、科学者があまり研究してこなかった点の一つです。
私たちは大気 科学者として、最近の研究で、融解する永久凍土に微細な氷晶核形成粒子が大量に含まれていることを明らかにしました。微細な氷晶核形成粒子。これらの粒子は水滴を凍りやすくします。また、永久凍土中の粒子が空中に舞い上がれば、北極域の雲に影響を与える可能性があります。
2018年の夏、私たちの一人であるジェシー・クリーマンは、アラスカ州フェアバンクスを訪れ、地下深くの研究用トンネルから永久凍土の試料を採取しました。これらの試料は1万8000年から3万年前のものであり、私たちのチームは、永久凍土にどれだけの氷晶核形成粒子が潜んでいるかを調べるために試料を検査しました。
その結果、永久凍土には非常に多くの粒子が含まれていることがわかりました。大半が死滅した微生物や植物の破片である1グラムあたり、最大で1億個もの高活性な個々の粒子が含まれていました。この密度は、肥沃な土壌に見られる量に匹敵し、肥沃な土壌は地球上で氷晶核形成粒子が最も集中している供給源の一部です。世界中のどこでも、氷晶核形成粒子は一般に雲の挙動において大きな役割を果たしていますが、その影響の強さについては現在も研究が進められています。
重要性
永久凍土由来の氷晶核形成粒子が大気中に入り込み、雲に影響を与えているのかどうかは、まだ誰にもわかっていません。しかし、氷晶核形成粒子が雲をどのように変化させるのかという理論は理解されています。
雲は、無数の微小な水滴または氷晶から構成されており、多くの場合その両方が混在しています。雲は森林のようなものだと考えることができます。雲の水滴はすべて、形成され成長するための種、すなわち微小なエアロゾル粒子を必要とします。陸地や海洋からの微小なちりであれば、ほとんどのようなものでも液体の雲粒の種になりえます。氷晶核形成粒子は、水分子を氷のような格子状に並べる独特の能力を持つため、雲中の過冷却液体がより高い温度で凍結するのを助けます。
氷晶核形成粒子は、極めて優れた能力で小さな氷晶を形成することができます。これは、空中に浮遊するすべての粒子のうち100万分の1未満にしか見られない稀な能力です。氷晶核形成粒子は、砂漠からの鉱物性ダスト、農地の土壌の微粒子、または永久凍土で見つかったものと同様に、細菌や、海洋や植物に由来する生物材料の断片である場合もあります。
氷を容易に形成する能力は、雲と天候に大きな影響を及ぼします。
ほとんどの場合、空中の水滴は雪や雨として地上に落下する前に凍結する必要があります。氷晶核形成粒子があると、雲の氷は通常より高い気温、華氏28度程度まで形成されます。これらの粒子がなければ、水滴はマイナス36華氏度になるまで凍結せずに過冷却されることがあります。雲の中に氷晶核形成粒子が存在すると、水滴は凍結しやすくなります。その結果、雲は雨や雪を降らせて早期に消滅し、太陽光の反射が少なくなることがあります。
依然として不明な点
私たちの研究により、融解する永久凍土には多くの氷晶核形成粒子が含まれていることがわかりました。これは重要なことです。なぜなら、永久凍土は北半球の露出した陸地表面の24%を覆っているからです。現在の疑問は、これらの粒子が大気中に入り込んでいるかどうかです。私たちの知る限り、永久凍土が雲の形成に与える影響や、永久凍土由来の氷晶核形成粒子が空中に舞い上がる仕組みを調べた他の研究者はいません。
私たちは、融解する永久凍土由来の氷晶核形成粒子が湖沼や河川に流れ込み、沿岸の北極海の海域へと進み、広範囲に拡散すると仮説を立てています。その後、風によってこれらの氷晶核形成粒子が空気中に吹き上げられる可能性があります。そこで、雲の凍結を促進し、天候に影響を与えることもあり得ます。
未解明の点はまだ多く、取り組むべき課題も数多くあります。
今後の展望
今年の夏、私たちはフェアバンクスの寒冷地研究工学研究所や、コロラド州ボルダーの国立大気研究センターの同僚と協力し、アラスカの北極ツンドラへの6週間の調査旅行に出発する予定です。永久凍土、湖水、河川水、沿岸海水、大気の試料を数百点採取し、永久凍土由来の氷晶核形成粒子が存在するか、またどの程度の量があるかを調べます。私たちの目標は、これらの知見をモデルに活用し、融解する永久凍土が同地域の雲をどのように変化させうるかを予測することです。
