本記事は The Conversationとの協力により発表されたものです。
真夏の暑い日に、地下の洞窟が与えてくれる涼しい避難所を楽しんだことはありますか？ あるいは、冬に洞窟へ入った際に感じる心地よい暖かさを体験したことがあるかもしれません。
洞窟に降りると、穏やかな気候を楽しめるだけでなく、石筍、鍾乳石、流下石などの洞窟堆積物の美しさにも目を奪われるかもしれません。これらは洞窟研究者により「 speleothems」と呼ばれています。
おそらくご存じのとおり、これらは表面を伝ったり滴り落ちたりする水に含まれる鉱物から、非常にゆっくりと成長します。この水は、地表の雨が上層の土壌と石灰岩を通過し、地中に浸透して 最終的に洞窟に到達したものです。
スピレオセムは成長する際、雨水が地表に降った当時の環境条件や気候条件の化学的な痕跡を鉱物中に固定します。そのため、石筍が成長するにつれて、地表の気候による化学的な痕跡は、 新たに形成された層の中に絶えず閉じ込められていきます。
非常に古い石筍の中には、場合によっては数百万年前にまで遡る、はるか過去の気候の痕跡が残されています。これらは、石筍の年代と同じ長さの過去の気候の記録を保存しており、世界の気象観測記録より前の時代にさかのぼることも多いのです。
上と下
しかし、洞窟が夏は涼しく、冬は暖かいままである場合、その気候は地表の気候とどのように関係しているのでしょうか。また、それは石筍に記録された化学的な痕跡にどのような影響を与えるのでしょうか。
地表と洞窟の気候の関係を理解するため、当研究グループである Connected Waters Initiative Research Centre （ UNSW Australia）は、ニューサウスウェールズ州の Wellington Caves Reserve において複数の現地実験を実施しました。
調査期間中、地表と洞窟内の気候が詳細に測定されました。例えば、地表の水温と、石筍を形成する水滴が洞窟の床に落下する地点の水温を測定するために、高精度の温度センサーが使用されました。
研究チームは、降雨を模擬するため、氷点まで冷却した水で洞窟上部の地表に灌漑を施し、洞窟内に制御された滴下を人為的に開始させました。
冷水を用いることで、洞窟内の滴下水が地表の条件の影響を受けているのか、それとも地中の経路の条件の影響を受けているのかを判定することができました。
また、灌漑水に天然の化学物質を添加したことで、洞窟内の水が灌漑水に由来するものか、それとも地下にすでに存在していた水かを区別することができました。
本研究の結果、 地表と洞窟の気候の間に、複雑でありながら体系的な関係があることが明らかになりました。例えば、地表の気温変化は、深度とともに大幅に弱まり、遅れて現れることが示されました。
本研究は、洞窟内の気温から地表の気温をどのように読み解けるかを示すものです。これを理解することは、石筍に保存された痕跡から過去の地表気温記録を正しく解読するために不可欠です。
涼しく保つ
また、洞窟に出入りする空気が、 洞窟堆積物上を流れる水を蒸発させることで堆積物を冷却しうることも発見しました。この冷却は、堆積物に閉じ込められた化学的な痕跡に大きな影響を与え、地表の気候を代表しない「偽の」シグナルを生み出す可能性があります。
言い換えれば、考慮されなければ、地表の気候は実際よりも涼しかったように「見えて」しまいます。これは乾燥した環境に位置する洞窟で起こりやすいものの、過去に乾燥した気候にさらされた洞窟の石筍についても考慮する必要があるかもしれません。
今回の新たな知見は、過去の気候や環境条件を再構築するうえで、最適な石筍の採取地点や種類を科学者が選定する際にも役立つ可能性があります。
この新たな発見は、洞窟堆積物から得られる過去の気候シグナルの精度を向上させうるため、重要な意義を持ちます。また、既存の過去の気候記録に見られる、これまで説明のつかなかった記録上の異常（アーティファクト）の理解にも役立つかもしれません。過去の気候についての理解を深めることで、将来の気候変動をよりよく理解できるようになります。
本記事の掲載は、世界経済フォーラムによる見解への支持を意味するものではありません。
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執筆者：Gabriel C Rau は、UNSW（オーストラリア）の地下水水文学担当准講師です。Andy Baker は、UNSW（オーストラリア）の Connected Waters Initiative Research Centre の所長です。Mark O Cuthbert は、バーミンガム大学の水文地質学研究員です。Martin Sogaard Andersen は、UNSW Australia の上級講師です。
写真：バージニア州ルレイにある Luray Caverns を見学する人々。REUTERS/Carlo Allegri.
