教室での授業でも日常会話でも、地球温暖化の説明は温室効果ガスの作用を軸に展開されます。簡単に言えば、気候は2種類の異なる放射のバランスに左右されます。地球は太陽から届く可視光を吸収します。これは「短波放射」と呼ばれます。そして赤外線、すなわち「長波放射」を宇宙へ放出します。
二酸化炭素（CO2）などの温室効果ガス濃度が上昇すると、このエネルギーバランスが崩れます。温室効果ガスは、外へ出ていく長波放射の一部をますます吸収し、大気中に閉じ込めます。気候システムにエネルギーが蓄積し、温暖化が起こります。しかし今週、米国科学アカデミー紀要に掲載された論文で、MITの研究者たちは、地球温暖化についてのこの定説が物語の半分にすぎないことを示しました。
CO2濃度を高めた条件で地球の気候をコンピューター・モデルで再現すると、温室効果ガスの作用によって確かに地球温暖化が起こります。ところが、不可解な現象が生じます。CO2濃度の上昇に伴い、宇宙へ逃げる長波放射は減少すると予想されますが、実際にはその量が増え始めるのです。同時に、大気は太陽から届く放射をますます多く吸収します。最終的に地球温暖化を持続させるのは、この短波放射の吸収増加です。
「この発見は、地球温暖化についての基本的な理解と矛盾する不思議な現象でした」と筆頭著者のAaron Donohoeは語ります。MITの元博士研究員で、現在はワシントン大学応用物理学研究所の研究員です。「CO2が追加された後の数年間に、モデル内で何か非常に奇妙なことが起きているに違いないと考えました。気候モデルが、長波放射の減少ではなく短波放射の増加を通じて温暖化を示すという逆説を解明したかったのです。」
Donohoeは、MITの博士研究員Kyle Armourやワシントン大学の研究者らとともに、気候モデルがなぜこの非論理的な結果を生み出すのか、夜遅くまでさまざまな仮説を検討しました。そして、その理由は誰も明確に説明し、文献に記していなかったものの、実は理にかなっていると気づきました。
コンピューター・シミュレーションと単純なエネルギー収支モデルの両方を用いて、彼らは答えを見つけました。長波放射がCO2によって閉じ込められると、地球は温まり始め、気候システムのさまざまな部分に影響が及びます。海氷や積雪が融け、まばゆい白色で日光を反射していた場所は、より暗い地表へと変わります。暖かい空気ほど多くの水蒸気を保持できるため、大気中の水分も増えます。水蒸気は短波放射をさらに吸収します。この2つのフィードバックはいずれも、宇宙へ跳ね返る短波放射の量を減らし、地表では惑星が急速に温暖化します。
一方、温暖化するあらゆる物体と同様に、地球は長波放射をより効率よく放出し、CO2による長波放射の閉じ込め効果を打ち消します。しかし、地表が暗くなった地球は、より多くの日光を吸収するようになり、短波放射による正味の温暖化へと傾きます。
「つまり、気候にとって重要な放射は2種類あり、その一方はCO2の影響を受けますが、地球温暖化を直接引き起こしているのはもう一方です。そこが意外な点です」と、MIT地球・大気・惑星科学科の博士研究員であるArmourは語ります。
現実の大気汚染では、エアロゾルが多くの日光を反射するため、地球は短波の太陽放射によって、そうでなければ生じていたほどには温暖化していません。しかし著者らの計算では、今世紀半ばまでに十分な温暖化が進み、地球温暖化の主な要因は太陽放射の吸収増加へと切り替わります。
この論文は気候モデルの物理学に異議を唱えるものではありません。その価値は、研究コミュニティーがモデルの出力を解釈する助けとなる点にあります。「この研究によって地球温暖化の基礎についての理解が変わるわけではありませんが、より包括的な気候モデルが、表面的には直感に反する振る舞いをすることがある理由を理解するうえで、より単純なモデルが役立つのは常に有益です」と、NOAA地球物理流体力学研究所の上級研究員で、本研究には参加していないIsaac Heldは述べています。
この研究は、今後数十年にわたり人為的な気候変動を追跡するため、地球の放射収支に関する衛星観測で研究者が何を探すべきかを示すうえでも役立ちます。「温室効果ガスが増えれば、外へ出ていく長波放射は減少するというのが、まず想定されるでしょう。しかし、おそらくそうはなりません」とDonohoeは語ります。「実際には短波放射の吸収が増えるのが見えるでしょう。将来の観測で、CO2が長波放射を閉じ込める効果を実際に確認できるでしょうか。おそらく答えはノーだと思います。」
この研究は、気候モデリングにおけるもう一つの難題、すなわち地球温暖化の主な要因が短波放射へ切り替わる時期について、異なるモデル間で大きな見解の相違がある問題を整理します。著者らは、その違いの原因が、地球温暖化に伴う雲量の変化をモデルがどのように表現するかにあることを示しました。雲量も、地球が短波の太陽エネルギーをどれほど効率よく反射できるかを左右する大きな要因です。
共同掲載： MIT News
著者：Genevieve WanuchaはMIT Newsへの寄稿者です。
画像：2011年3月18日、2011年の春分頃にNASAのAqua衛星搭載CERES装置が観測した、地球から放出される長波放射
