陸地は水よりも「熱容量」が小さいため、温度を大幅に上げるのに必要な熱量が少ない。
温暖化する気候のもとでも、海洋はわずかな温度上昇で水を蒸発させ、自らを冷やすことができる。
一方、大陸では通常、利用できる水分が限られているため、蒸発も制約される。
昨年、世界の気温は0.95℃高く、20世紀の平均を上回った。この温暖化のほぼ100％は人間活動が原因である。
これらの数値をもう少し詳しく見ると、地球の陸地の気温は平均より1.43℃高く、海洋は0.77℃高かった。これは、ここ数十年にわたり世界の大陸が海洋より速く温暖化してきたことを示している。
陸地と海洋の気温変化のこの対比は、将来の温暖化の世界的なパターンを大きく左右し、人間にも重要な影響を及ぼす。何しろ私たちは、陸地で暮らすことをずっと好む種なのだから。
では、この温暖化の対比をもたらす要因は何だろうか。一見単純な問いだが、その答えは大きく誤解されている。この寄稿では、近年になって初めて確立された、陸地と海洋の温暖化の対比を説明する堅牢な定量理論を概説する。
熱容量
単純な物理学から考えれば、気候システムにさらに熱が加わると、陸地は海洋より速く温暖化するはずだ。これは、陸地の「熱容量」が水より小さく、温度を上げるのに必要な熱量が少ないためである。
下のグラフは、観測記録の期間を通じて、地球の陸地表面（黄色の線）が海洋（濃い青色）より速く温暖化してきたことを示している。
NOAAの地表気温記録に表れた、陸地での温暖化の増幅。グラフは陸地（黄色の線）、海洋（濃い青色）、陸地と海洋の合計（薄い青色）の年平均気温を示す。すべて1901～2000年を基準とした数値。データ：NOAA。グラフ：Carbon BriefがHighchartsを使用して作成。
この影響は、季節的な気候システムのさまざまな部分にも見られる。たとえば、北半球の春に太陽が赤道より北へ移動すると、そのエネルギーによってインドは周囲の海洋に比べて急速に温められる。この加熱の差は、南アジアのモンスーンをもたらす風の反転に重要な役割を果たす。
陸地の熱容量が小さいことは、ロシアや米国中部のような大陸内の地域で、夏には非常に暑くなる一方、冬には厳しい寒さに見舞われることの説明にも役立つ。これは「大陸性」と呼ばれる。
季節的な陸地と海洋の温暖化の対比において熱容量が中心的な役割を果たすことから、気候変動のもとで大陸が海洋より温暖化する理由を説明するには、熱容量から考え始めるのが自然だ。しかし、この説明には問題がある。
温暖化の対比
気象学者1991年の画期的な論文で、真鍋淑郎と同僚たちは初期の気候モデルを使い、CO2が徐々に増加する際の気候システムの過渡的な応答と、長期的な平衡応答を比較した。
言い換えれば、CO2が増加している間の気候と、CO2の増加が止まり、気候が最終的に新たなより温暖な状態で安定した後の気候を比べていた。
陸地と海洋の熱容量の差が温暖化の対比を左右する決定的な要因なら、海洋が温暖化するのに十分な時間が経過した平衡状態では、その対比は消えると予想される。
しかし、真鍋の発見はそうではなかった。むしろ、陸地の温暖化と海洋の温暖化の比率（現在「増幅係数」として知られる）は、過渡実験でも平衡実験でも同程度であることを明らかにした。
これは、今世紀末の温暖化予測を示す下の地図にも表れている陸地と海洋の温暖化の対比が、熱容量によって左右されるのではなく、気候変動に対する根本的な応答であることを示していた。熱容量で変化する気候における陸地の温暖化の増幅を説明できないなら、何が説明できるのだろうか。
熱容量を超えて
最初の説明は、当初、真鍋が提唱したもので、地表面のエネルギー収支に着目する。これは地球の地表面とその上の大気との間のエネルギー交換を表す。
大気中のCO2濃度が上昇すると、地表に入る放射が増え、気温が上昇する。これは、地球の地表面から放射された熱のより多くが、大気中の温室効果ガスに閉じ込められるためである。
しかし、CO2による地表の温暖化の程度は、冷却をもたらす局地的な要因によってどれだけ相殺されるかに左右される。具体的には、蒸発による冷却と、地表面とその上の空気との間の乾燥熱の交換による冷却である。（後者による大気の温暖化は雲の形成も抑える傾向があり、その結果、地表面がさらに乾燥する可能性がある。）
蒸発させる水に限りのない海洋は、温暖化する気候のもとでも、わずかな温度上昇でますます多くの水を蒸発させ、効率よく自らを冷やせる。一方、大陸では通常、利用できる水分が限られているため、蒸発も制約される。
そのため、温暖化する気候のもとで地表に入る余分な放射は、大陸では、蒸発散ではなく、乾燥熱の交換と長波放射冷却によって、より多く放散させる必要がある。これは、自由に蒸発できる海洋と比べて、地表温度がより大きく上昇することを意味する。
陸地と海洋の温暖化の対比を説明するこの「地表面エネルギー収支」理論は、近年の研究でも提唱されている。
大陸で温暖化が増幅するというこの説明は直感的で、気温変化を決めるうえで陸地の「乾燥度」が重要な役割を果たすことを示唆している。しかし、確かな数値で裏付ける必要がある。
地表面エネルギー収支理論の問題点は、正確に表現するには、性質が多様で複雑なうえ、シミュレーションが非常に難しい地表面の特性に頼らざるを得ないことだ。こうした特性を気候モデルで適切に再現するのは難しい。とりわけ、地表面エネルギー収支理論の鍵となる要素、つまり気候変動に対して蒸発散がどう応答するかを定量化するには、地域ごとの土壌水分と植生、さらにそれらの特性自体が気候によってどう変化するかを把握する必要がある。これは難題だ。
さらに、地表を覆う大気の要因も重要だ。降雨や風はどう変化するのだろうか。地表面のエネルギー収支に影響する無数の過程を考えると、この枠組みを陸地と海洋の温暖化の対比を説明する定量理論の基礎にするのは難しい。この見方は概念的には有用だが、温暖化の対比をもたらす物理過程の理解としては不完全である。
新たな考え方
地表面のエネルギー収支に代わり、大気力学、すなわち大気の運動とその熱力学的状態に基づく、陸地と海洋の温暖化の対比についての新たな理解が、過去10年間に発展してきた。
2008年の論文で、マノイ・ジョシ教授は、当時英国気象庁ハドレーセンターおよびレディング大学に所属し、現在はイースト・アングリア大学に所属しているが、大気中の力学過程が陸地と海洋の地域における気温と湿度を結びつけていることを初めて指摘した。
具体的には、気候が温暖化するにつれ、気温が高度とともに低下する割合である気温減率は、陸地より海洋の上空でより大きく低下することを示した。これは、海洋の上空の空気が、どの時点でも通常、陸地の上空の空気より多くの水蒸気を含んでいるためである。
気温減率のこうした変化の違いが、温暖化の対比を説明する。陸地上空の気温減率の低下が小さいほど、海洋に比べて陸地表面の気温上昇が大きくなる。
このメカニズムは必ずしも直感的ではないが、大気力学における確立された過程に基づいている。気温減率の変化の違いは、現在、陸地と海洋の温暖化の対比をもたらす根本的な要因として、特に低緯度（北緯約40度から南緯約40度まで）で認められている。地中海を含む地域における温暖化の増幅も、同じ気温減率のメカニズムで説明される。
定量理論
ジョシは2008年の論文で、陸地と海洋の温暖化の対比について新たな概念的理解を提示した。しかし、やはりその説明は定性的だった。
私は、ポール・オゴーマン教授とともに、マサチューセッツ工科大学に所属していた彼と、気温減率に関する議論を発展させ、定量理論にできると気づいた。
重要な洞察は、陸地と海洋では気温と湿度の変化が大きく異なる一方、ジョシが特定した大気力学上の制約から、気温と湿度を組み合わせた特定の量、すなわち静止した空気塊に含まれるエネルギーである湿潤静的エネルギーの変化はおおむね等しいと導かれることだった。この洞察により、陸地の気温変化を表す方程式を導出でき、私たちはそれを2018年に発表した。
私たちの方程式が示すのは、気候変動に対する陸地の気温の応答が、海洋の温暖化と、現在の気候における陸地の乾燥度という2つの要因に左右されることだ。
陸地が乾燥しているほど、温暖化は大きくなる。この理論は検証されており、気候モデルと観測データを用いて過去40年間にわたり確かめられている。この理論は、乾燥した亜熱帯地域で陸地の温暖化が特に深刻になると予想される理由を説明し、陸地の相対湿度がここ数十年低下してきた理由も説明する。
将来の陸地気温の予測（モデル間で大きなばらつきがある）にこの理論がもたらす重要な示唆は、現在の気候における陸地の乾燥度を正確にモデル化することが極めて重要だという点だ。ただし、地表面の複雑さのため、技術的には難しい。
あまり知られていない
陸地と海洋の温暖化の対比に関するこの新たな理解は、大気力学や気候力学の研究者コミュニティに広く受け入れられている。
しかし、陸地と海洋の温暖化の対比は熱容量の違いではなく乾燥度によって生じるということは、より広い気候科学や気候影響の研究コミュニティでは、いまだあまり知られていないと言ってよいだろう。
一般の人々には、まず知られていない。理論そのものについて言えば、地表面の複雑さを単一の「乾燥度」パラメーターに集約できることに驚く研究者もいる。
大陸の気候のように複雑なシステムの応答を、単純な方程式にまとめられることは、私にとっても驚きであり、刺激的だ。気候科学では、このような概念研究がさらに進むことを提唱したい。
