気候変動の底流はこの大気の波の中に隠されている

ウェイ・ケ

私たちは地球の大気圏の底に住んでおり、私たちの頭上の大気圏は少なくとも 1,000 km まで広がっています。地球の大気は全体としては一つですが、下から上までそれぞれの領域の性質や特徴は異なります。さまざまな基準に応じて、いくつかのレベルに分けることができます。最も一般的に使用される成層基準は温度変化に基づいており、地球の大気を対流圏、成層圏、中間圏、熱圏、外気圏の 5 つのレベルに分割します。

対流圏は、地球の表面から対流圏の上部までの大気圏領域であり、平均厚さは約 11 キロメートルです。これは地球の表面に最も近い大気の層です。また、最も密度が高く、密度が最も高い層でもあります。そこに含まれる空気の塊は、大気全体の質量の 75% を占めます。ほぼすべての水蒸気と不純物は対流圏にあり、ほぼすべての気象現象もこの層で発生します。

今日は対流圏については議論しません。私たちは対流圏の上にある成層圏について議論しています。対流圏の上端から約50キロメートルまでの範囲が成層圏です。成層圏の温度は高度とともに徐々に上昇しますが、これは対流圏の変化とはまったく逆です。

19 世紀に測定された下層大気の温度勾配 (100 メートルあたり 0.7 ℃) に基づき、当時の多くの物理学者は、高度が上昇するにつれて大気の温度が極めて低い値まで下がると信じていました。たとえば、ドイツの物理学者ヘルマン・フォン・ヘルムホルツは、高度 30 km を超えると温度が絶対零度に近くなり、内部エネルギーが完全に消失する可能性があると考えました。

実際、これは達成不可能です。高度が上がるにつれて、地上の熱源からの距離はどんどん遠ざかっているにもかかわらず、大気の組成が徐々に変化し、大気中のオゾン含有量が徐々に増加するからです。オゾンは主に大気中の酸素が太陽の紫外線を吸収することで生成されます。大気中のオゾンの90%は地表から20～30km以内に集中しています。この層がオゾン層です。オゾンは肉眼で見える太陽光を吸収しませんが、肉眼では見えない紫外線を吸収することができます。オゾン層は紫外線を吸収した後、大気の温度が徐々に上昇します。そのため、成層圏の高度が上がるにつれて、気温は徐々に上昇します。

高度が上がるにつれて気温も徐々に上昇し、下は寒く上は暑いという温度分布が形成されます。これは非常に安定した状態です。そのため、この空気層の空気は垂直方向に動くことはほとんどなく、主に水平方向に動くため、成層圏と呼ばれています。空気が水平に流れ、上下の乱気流が非常に弱いため、航空機の飛行に非常に適しています。現在の民間航空機や高高度偵察機は、主に下部成層圏と上部対流圏を飛行しています。

つまり、成層圏とは、私たちが見ることができるすべての雲の上にある青い領域のことです。ここでは上昇気流と下降気流があまりないので、気象現象はあまり起こりません。友人の中には、現象はそれほど多くないのに、それを研究する意味があるのか​​と言う人もいるかもしれません。

実は成層圏、特に高度20キロメートルから30キロメートルにあるオゾン層は私たちの生活と密接な関係があります。いつでもどこでも大きな日よけを提供し、太陽からの紫外線のほとんどを遮断します。

地球が受ける宇宙放射線の中で最も豊富なのは太陽光です。誰もが、太陽光は暖かく、純粋で、明るいものだと考えています。実は太陽光には紫外線など人間の目には見えない光がたくさん含まれています。紫外線は波長の長さに応じてUVA、UVB、UVCに分けられますが、その中で最も危険な紫外線はUVCです。いかなる生命も、UVC に長期にわたってさらされると生き残ることはできません。紫外線殺菌ランプやブラックライトランプという言葉をよく耳にします。実際、これらのランプから放射される光は、肉眼では見えない UVC です。消毒・殺菌にも使えます。

UVBにはどんな効果がありますか? UVBに長期間さらされると、皮膚がんや白内障になりやすくなります。毎年、世界中で多くの人が皮膚がんで亡くなり、白内障で失明しています。

UVAに関しては、美容を愛する多くの人々がこれを非常に嫌っています。なぜなら、UVAの照射を受けると、肌は老化しやすく、黒ずみ、しわができやすくなり、老化は肌から始まるからです。

幸いなことに、人類は非常に幸運です。なぜなら、私たちの頭上の成層圏は大きな傘のように、いつでもどこでも私たちを守ってくれているからです。オゾン層は、最も危険な UVC を 100%、UVB を 50% 以上、UVA の一部を遮断することができます。そのため、地表に到達できる紫外線は紫外線のほんの一部に過ぎませんが、このほんの一部が私たちの健康に役立っています。紫外線がないと、ビタミンDやカルシウムが不足し、骨粗しょう症、くる病、運動発達遅延、テタニーなどを引き起こしやすくなります。

成層圏の動きにはいくつかの明確な特徴があります。たとえば、中緯度および高緯度地域では、東風循環が約半年続き、西風循環が残りの半年続きます。したがって、夏に北極を見渡すと、時計回りの循環が見られます。冬には反時計回りの循環が見られます。

成層圏の風速は非常に高いです。どれくらい高いですか？その風速は地球上のすべての台風やハリケーンの風速よりも速い。ジェット気流域の風速は秒速100メートルを超えることもあります。このジェット気流は高緯度の寒気の閉じ込め圏を形成し、暗くて寒い極地の寒気を制御します。ジェット気流に大規模な擾乱が発生すると、ジェット気流が乱れ、南に冷たい空気が流れ込みます。水槽が安定して回転しているときは、中の水はこぼれませんが、水槽自体が不安定で凹凸があると、中の水は簡単にこぼれてしまいます。

例えば、2016年1月末、わが国の東部地域は非常に寒く、広東省や台湾などでも雪が降り、ネットユーザーからは「超寒波」と呼ばれました。 「超寒波」が発生する1～2週間前に成層圏を観察すると、極渦全体が歪んで変形し、冷たい空気が絶えず噴出しているのがわかります。

2019年1月の北米は非常に寒く、突然氷河期に突入したかのような感じでした。これは、1月に北極の極渦の中心が分裂して北米上空に移動し、北米の天候が異常に寒くなったためです。

同様に、2021年1月初旬、地球は我が国の東部で極寒の空気に遭遇しました。 1月7日の朝、北京のほとんどの地域で最低気温は-24〜-18℃となり、南郊天文台の最低気温は-19.6℃となり、1966年（1966年2月22日、-27.4℃）以来の冬の最低気温となった。これに先立ち、成層圏で爆発的な温暖化が起こり、極渦が北極から押し出されてシベリア上空に移動し、北極やシベリアの冷たい空気が極地に流れ出しました。

そこで私は、成層圏を比喩的に「地球規模の寒気、特に極寒の空気のエンジン」と表現します。

さらに、成層圏は地球規模の気候変動を増幅する役割も果たしており、ある地域の気候異常を地球規模の気候異常に、また短期的な気候異常を長期的な気候異常に増幅させる可能性があります。

例えば、火山の噴火が起こると、火山から放出された火山灰やマグマなどが主に火山の局所的な地域に影響を及ぼします。特に火山の噴火が激しい場合には、大量の硫酸エアロゾルが成層圏に侵入し、成層圏の大気循環に沿って世界各地に輸送されます。成層圏では垂直方向の動きがないため、これらのエアロゾルは成層圏にかなり長い期間留まり、太陽放射を遮り、日傘効果を形成し、地上の太陽放射を減らし、地球規模の長期的冷却プロセスを形成します。これにより、地域的な短期的な出来事が長期的な地球規模の気候イベントへと拡大することになります。

過去半世紀において、1963年のアグン山の噴火では約800万トンの二酸化硫黄が成層圏に放出され、1982年のエルチチョン山の噴火では約700万トンの二酸化硫黄が成層圏に放出され、1991年のピナツボ山の噴火では約2,000万トンの二酸化硫黄が成層圏に放出されました。これら 3 つの火山噴火は、それぞれ約 -0.2°C、約 -0.2°C、約 -0.5°C の冷却幅で 1 ～ 2 年続き、地球の気温推移に影響を与えました。

1815年4月にインドネシアのスンバワ島で起きたタンボラ山の噴火のような大規模な噴火では、高さ45キロメートル（上部成層圏）に達する火山灰の柱が発生し、地球が火山エアロゾルで覆われ、東南アジアで71,000人以上が死亡しました。そのうち11,000～12,000人が噴火で直接亡くなり、残りは飢餓と病気で亡くなりました。何千マイルも離れたヨーロッパでは、飢饉により20万人以上が死亡した。

この増幅効果は、大規模な山火事によって生成される黒色炭素エアロゾルや、核戦争によって引き起こされる核の冬にも当てはまります。いわゆる「核の冬」とは、核兵器によって可燃物の燃焼によって発生した黒煙（ブラックカーボン）が成層圏に噴出され、成層圏循環によって地球全体に拡散し、太陽放射を遮って地表を冷やし、地表を冬のように寒くする現象をいう。

数年前、科学者たちは小規模な核戦争をシミュレートする数値実験を実施しました。たとえば、インドとパキスタンは何らかの理由で戦争を始めました。インドは核弾頭50個を投下し、パキスタンも核弾頭50個を投下した。 100個の核弾頭が100件の火災を引き起こし、100の都市が破壊されました。シミュレーションで使用された核弾頭は非常に小さく、TNT換算でわずか1万5000トンで、これは第二次世界大戦中に米国が日本の広島に投下した「リトルボーイ」原子爆弾と同等である。

実験でシミュレートされた小規模な核戦争でも、約500万トンの黒色炭素が世界に放出されることになる。成層圏に入った後、半年以内に南極から北極まで急速に成層圏全体に広がり、太陽放射を遮ります。

成層圏の大気は主に水平方向に動き、空気は非常に安定しているため、10年後でも大気中に約110万トンのブラックカーボンが存在することになります。それは地球規模の気候への影響を引き起こし、その最も重要な兆候は農業に影響を及ぼすことです。

科学者のシミュレーション結果によると、戦争に参加しなかった米国と中国の農業も深刻な影響を受けることが示されています。戦争の最初の5年間で、中国の冬小麦の生産は40％減少し、春小麦の生産は約35％減少する可能性があります。米国のトウモロコシ生産量は約20％減少する可能性がある。

2 年目以降の 5 年間で、米国のトウモロコシと大豆の生産量は約 10% 減少しました。中国の穀物生産量は約15％から25％減少した。

国際政治を研究する多くの人々は、農作物の生産量がここまで減少すれば、必然的に世界的な食糧危機と価格高騰につながり、貧困層に最も大きな影響を与えるだろうということを知っているはずだ。

戦争の規模が大きくなり、核弾頭が 1,000 個になったらどうなるでしょうか?約5,000万トンの黒色炭素が成層圏に放出され、地球の気温は約3℃低下します。爆発した核弾頭の数が3,000個に増えれば、地球の気温は約7℃低下するだろう。

現在の地球の平均気温は15℃です。気温が7℃下がると、春の15℃から冬の8℃くらいに一気に移行することになります。本当の核の冬が来るでしょう。つまり、私たちの頭上の成層圏は私たちにとって非常に重要であり、さまざまな人為的または自然的プロセスによって引き起こされる気候への影響を増幅させる可能性があります。たとえ核戦争が何千マイルも離れたところにあったとしても、それは私たちの頭上成層圏の輸送効果と地球の気候の反応を通じて地球規模に影響を及ぼします。核戦争の影の下では、いかなる国も免れることはできない。

要約すると、成層圏は世界中の極寒の空気の原動力です。同時に、それは私たちに遍在する日よけを提供し、地球をより住みやすいものにします。これは地球の気候を増幅させる要因でもあり、成層圏での異常現象に影響を及ぼし、最終的には世界に影響を与えることになる。

査読者：中国科学院大気物理研究所台風専門家、黄福静良

この記事は、中国科学普及-星空プロジェクト（創造と栽培）によって作成されました。転載の際は出典を明記してください。