南極大陸の氷から過去の地球環境を探る

(1)

マイナス70度での南極観測フロンティア

—氷床から過去数十万年の地球環境を探るー

藤井理行

(2)

地球：奇跡の水の惑星

太陽

6000 ℃

水星

金星

火星

500 ℃

15 ℃

マイナス60 ℃

地球

太陽系惑星では、地

球のみ微妙な熱収支

により水が三態

（水蒸気、水、氷）

で存在する。

(3)

温室効果

太陽

目に見える光

(可視光線）

赤外線吸収

暖まる

温室効果ガス

目に見えない光

(赤外線）

温室効果ガスがない場合

地球平均気温：-18℃

現在の地球平均気温：+15℃

(4)

(5)

1985年「オゾン層の保護のためのウィーン条約」 1987年「オゾン層を破壊する物質に関するモントリオール議定書」 100 150 200 250 300 350 400 1960 1970 1980 1990 2000 2010

オゾン全量（m a

tm

-cm)

年

昭和基地、10月（気象庁観測）

減少するオゾン全量

390

380

370

360

350

340 濃度(p

pmv)

年北極：ニーオルスン基地南極：昭和基地 1990 1985 1995 2000 2005

増加する二酸化炭素濃度

南極＝地球環境のセンサー

(6)

(7)

(8)

ドームふじ：氷の大陸の頂上

● 昭和 ● ドームふじ ● みずほ ● ドームふじ ● 昭和基地

面積---1386

km

2

厚さ---1856 m

体積---2540

km

3

海面上昇寄与---57 m

(9)

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ドームふじ基地:南極観測のフロンティア

昭和基地から1000 km

標高 3810 m

● 昭和 ● ドームふじ ● みずほ

(10)

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食事

気象観測

氷床深層掘削

逆さ野菜栽培

ゴミの分別回収

基地の生活

(11)

(12)

(13)

過去の空気を含む南極の氷（偏光写真）

氷に閉じ込められた

空気から、過去の大気

(14)

気温とδ

18

_{Oの関係例}

グリ−ンランド：δ

18

_{O＝0.67Ｔ−13.7}

南極みずほ高原：δ

18

_{O＝0.91Ｔ−6.3}

海水中の主要な同位体組成

H

₂16

_O：HD

16

_O：H

218

O＝0.9977：0.0003：0.0020

酸素同位体の分別

（H

₂18

_O/H

216

O）

液体

：（H

218

O/H

216

O）

水蒸気

＝1.010：1（0℃）

氷から過去の気温を復元する

０‰ -10‰ ＊＊＊＊＊＊ -15‰ -5‰ ＊＊＊＊＊＊ -20‰ -10‰ ＊＊＊＊＊＊ -25‰ -15‰ 南極氷床

温暖期

暖候期

-20‰ -25‰ ０‰ -10‰ ＊＊＊＊＊＊ -15‰ -5‰ ＊＊＊＊＊＊ -20‰ -10‰ ＊＊＊＊＊＊ -25‰ -15‰ ＊＊＊＊＊＊ -30‰ ＊＊＊＊＊＊ -35‰ 南極氷床

寒冷期

寒候期

(15)

コア解析

低温室でのコア処理

クリーンルームでのコア融解

(16)

アイスコアに記録された

(17)

-28 -24 -20 260 280 300 320 340 360 380

CO

₂

δ

18

_O

西暦年代

Tambora 1815

硫酸イオン

0 100 200 300 400

1700

1750

1800

1850

1900

1950

2000

El Chichon 1982 ppb ppmv ‰

顕著な気温変化なし

酸性度のトレンドなし

急増する CO

₂

南極氷床浅層コアに記録された

過去300年の気温、CO

₂

、降水の酸性度

(18)

←強弱 →

酸性度

硫酸イオン濃度

（pp b ）

硝酸イオン濃度

（pp b ）

北極

南極

0 250 500 0 200 400 1700 1800 1900 2000 1700 1800 1900 （グリーンランド、Site-J） _{（みずほ高原、H15）} 4.8 5.2 5.6

年代（西暦）

2000 産業革命以降すすむ雪の酸性化変わらぬ雪の酸性度 ←タンボラ火山1815年 SOXの増加（石炭） NOXの増加（石油）

過去300年の大気環境汚染の両極比較

北極では、産業

革命以降の大気

汚染の進行が顕

著であるのに対

し、南極ではほ

とんど進行して

いない。

(19)

浅層コアに記録された大規模火山噴火

El Chichon 1982

Nilahue 1955

Cerro Azul 1932

Deception 1912

Tarawera 1886

Krakatau 1883

Cosiguina 1835

Galunggung 1822

Tambora 1815

"unknown" 1809

pH

深さ

(w.eq.m)

年代

(A.D.)

4

nssSO

2-

火山噴火

(ng g )

.

-1

Kelut, Manam 1919

1991

1950

1850

1900

1800

5 火山噴火指数

VEI

4

5

4

3

5

6

5

7 ?

Santa Maria 1902

6 ?

?

0 10 20 30 40 50 0 100 200 300 400 5.2 5.4 5.6 5.8 北極でも見つかったシグナル

>25 km

0°

10°S

20°N

地球全体に影響を与えた火山活動

＊噴煙が25km以上に達する噴火

＊赤道付近の噴火

(20)

(21)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 -100

-80

-60

-40

-20

0

20

40 月（1996年）

最高気温

平均気温

最低気温

平均気温

最高気温

-18.9℃、

最低気温

-79.7℃

ドームふじは東京より70℃も寒い！

気温（℃）

南極で最も寒い基地

東京

ドームふじ

年平均気温 15.0℃

年平均気温 -54.5℃

(22)

(23)

(24)

吐息が

氷霧

に

8月23日13:26

8月23日13:27

1分後

マイナス55℃の雪のトンネル

凍る息

(25)

白夜と極夜

の境

沈まぬ太陽

(26)

●

● 昭和基地

ドームふじ基地

南極点

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 昭和基地（南緯69度）：白夜と極夜

1.5か月づつ

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 ドームふじ基地（南緯77度）：白夜と極夜

4か月づつ

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 月

南極点（南緯90度）：白夜と極夜

6か月づつ

白夜と極夜

(27)

(28)

(29)

What happened when geomagnetic reverse occurred

780 k-years ago ?

When and how 100 k-year Glacial Cycle started ?

深

さ

(m

)

Bedrock

・

⇦・

⇨・

530km

第一期計画（1992-1997）第二期計画（2002-2006）

0 1000

2000

3000

ドームふじ基地

⇦・昭和基地方向

大陸岩盤

氷床内部構造

ドーム計画

アイスレーダによる氷床の内部構造と基盤地形

過去70〜80万年の

氷サンプルの掘削

(30)

ドームふじ：理想的な掘削地点

昭和基地

ドームふじ

流動の影響がない

理想的な掘削地点

南極氷床は、大陸規模の氷河である。降り

積もった雪は自重で氷になり、ゆっくりと

海に向かって流れる

。

25 0 0 20 0 0 15 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 50 0 10 0 0 15 0 0 -1 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 南極点からの距離（ km ）標高（ m ）ロス棚氷 ↓ タイタンドーム　 ↓ ↓ ドームふじ南極点 ↓ 南極横断山脈 ↓ みずほロス海昭和 ↓

標高（

m

）

(31)

2001

ドリルの改良開発開始

2001/2002

パイロット孔掘削と掘削孔ケーシング

2002/2003

新掘削場の建設

2003/2004

深層コア掘削／コア現場解析

362m深

2004/2005

深層コア掘削／コア現場解析

1850m深

2005/2006

深層コア掘削／コア現場解析

3029m深

＊世界最速の掘削（180m／週）を実現

2006/2007

深層コア掘削／コア現場解析

3035m深

掘削の状況

第２期計画

第１期計画

1982 ドーム計画構想

1988 ドリル開発開始

1992 物資集積開始

1994 基地建設

1995 越冬、掘削

612m深

1996 越冬、掘削

2503m深

1997 越冬、コア解析

(32)

深層コア掘削

(33)

●

浅層掘削（日本）

● 深層掘削（日本）

★

深層掘削（外国）

深層掘削ドリル（極地研開発）

極域氷床でのコア掘削

は、各国が力を入れて

推進している。日本が開

発した世界標準ドリル。

掘削地点と世界最新鋭のドリル

● ★

★

ボストーク ドームC コーネンドームふじ ● ● ● ● ● ● ● ● バードテーラドーム

１）斬新なアイディア

＊日本発の世界標準となる数々のメカニズム

２）優秀な技術

＊中小企業の高い心意気と技術力

３）国内外での掘削実験

＊多数の研究者等の協力

ロードーム

(34)

過去32万年の気温と二酸化炭素濃度

地球は、氷期に向かうのか、二酸化炭素で温暖化するのか？

過去32万年で例を見ない高濃度。人間活動（化石燃料の消費）による増加

旧人類（ネアンデルタール）新人類（クロマニヨン）

2万年、４万年、10万年の周期で変化。

気温

二酸化炭素

-62 -60 -58 -56 -54 -52 -50 -48 180 200 220 240 260 280 300 320 0 5 10 15 20 25 30

気温（℃）

二酸化炭素濃度（p

pmv ）

年代（万年前）

氷期 I 間氷期 I 氷期 II 間氷期 II 氷期 III 間氷期 III 完新世

(35)

過去32万年間の気温変化速度

0 100 200 300 400 500 600 700 800 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 気温変化（℃/100年）回数

今後100年に予想され

る温暖化（2℃〜）は、

過去には2 %の期間し

か起らなかった異常

な温暖化である。

年代（万年前）気温変化（℃ /100 年）

-4

-2

0

2

4

0

5

10

15

20

25

30

180 220 260 300 0 5 10 15 20 25 30 相対気温（℃ ）二酸化炭素濃度（pp mv）年代（万年前） -8 -4 0 4 8 気温二酸化炭素濃度

(36)

ミランコビッチ・サイクル

23.4度

北極星

自転軸の歳差

（1.9万年、2.3万年周期）

公転軌道の離心率

（10万年、40万年周期）

氷期

間氷期

21.8〜24.5度

自転軸の傾斜角

（4.1万年周期）

QuickTimeý Ç² TIFFÅià èkÇ»ÇµÅj êLí£ÉvÉçÉO ÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB QuickTimeý Ç² TIFFÅià èkÇ»ÇµÅj êLí£ÉvÉçÉO ÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB

陸半球/海半球

(37)

氷期サイクルにおける陸海域起原物質の変化

気温

温室効果気体

陸域起原

海洋起原

海洋植物起原

年代(万年前) -60 -56 -52 200 250 300

0

1

2

3

4

5

6

7

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 5 10 15 20 25 30 質量濃度 (μ g g-1 )

‰

ppmv

μmol l -1 μmol l -1

δ

18

_O

CO

₂

Na

+

MSA

Dust

(38)

過去13万年間のダスト濃度、海面変動から風速の復元

(after Shackelton 1987)

年代(万年前)

(μg/g)

アフリカアフリカ 40˚_S 60˚_S ドームF 120m 等深線パタゴニア南米南極太平洋大西洋インド洋オーストラリアアフリカ

最終氷期の最寒冷期における陸域分布↓

(10

6

km

2

)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Enhancement factor 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0 2 4 6 8 10 12

(

μg cm -2 a -1 )

ダスト降下量

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

露出大陸棚面積

相対風速

-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20

海面変化

(m)

氷期の寒冷期には、風速

は1.4倍も強かった。

(39)

INDIAN OCEAN

SOUTH PACIFIC OCEAN

Byrd Vostok

Dome Fuji

SOUTH ATLANTIC OCEAN 0° 180° 90°E 90°W 0 3000km S.Sandwich Is. S.Shetland Is.

Marie Byrd Land Victoria Land Andes 40° S 60°S 80° S North Island Alkaline rock Calc-alkali rock Tholeiite Deep-coring site Active volcano Volcanic center DomeC Kohnen 南米豪州アフリカ南極

深さ

(m

)

0

500 1000

1500

2000

2500

δ

18

O (‰)

-62

-56

-50

ドームふじコアの火山灰とその起源

火山灰の電子顕微鏡写真

アイスコアの火山灰

25の火山灰層は、

南極とその周辺

の火山の噴火に

より氷床に堆積

した。

(40)

１回の掘削で得られる長さ3.8mの氷床コア

2646m深（約40万年前）の火山灰

深さ3029mの氷床コア

氷床コアの現場解析

(41)

岩盤の破片

水（凍結）

2007年１月採取

氷床下の未知なる環

境を探る手がかり

氷床最深部の氷、水、岩石

(42)

未知の世界を探る

0 5 7 1 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 -1 -2 δ 1 8 _{O （ ‰ ）} 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 2 2 0 0 年代 ( 千年前）磁極期ブリュ－ヌ正磁極期ハラミヨ _{松山逆磁極期} オルドバイ

10万年周期

4万年周期

気候周期

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000

？

深さ

（

m

）

温度（℃）