暁新世･始新世温度極大期；3．繰り返す温暖化イベント

　これまでPETMについての特徴的な所見を見てきたが、地球の歴史においてこのような極端な温暖化イベントはまれなできごとなのだろうか？という疑問が湧いてくる。深海から掘削した堆積物コアは重量%において90%以上を炭酸カルシウムが占めており白っぽい色をしている。ところが、PETMの層準では炭酸カルシウムの重量比が10%以下まで低下しており特徴的な暗赤色の粘土層となっている。
　LourensらはWalvis Ridge（亜熱帯南大西洋のアフリカ沖にあたる）から得られた堆積コアの下位始新世の地層からElmo層準と名づけた暗赤色の粘土層を発見している。この地層を調べてみると炭酸カルシウムの重量比が90~95%から40%以下に低下しさらにスパイク状の1.0~1.2‰のδ13Cの負移動、つまりCIEが起こりその後指数関数的な回復をしていた。また安定酸素同位体比δ18Oも1.6‰低下しており海水温の上昇を伴っていたことがわかった。まさに「ミニPETM」ともいうべき変化がこの時代にも起こっていた。この期間はEocene Thermal Maximum 2（ETM2）と呼ばれている。北大西洋、Southern Ocean、太平洋からも時代が一致する同様の特徴を持つ地層が発見されておりETM2もPETMと同様全世界的なイベントであったと考えられる。さらにPETMとETM2の期間が約200万年であり、堆積物のmagnetic susceptibility（磁化率）などの検討により両者ともに225万年の離心率周期の長期間に及んだ最小期の直後に起こった40.5万年と10万年の周期の最大期に一致して起こっていることを示している。注1）　またSluijsらは、北極海のLomonosov Ridgeの海底堆積物コアのX-ray fluorescence scanning（XRF）分析によりETM2は歳差運動と密接な関連があることを指摘している。最近の氷期間氷期サイクルと同様、ここでもミランコビッチサイクルが地球の気候に対して大きな影響力を持っていたことになる。注2）

　さらにWesterholdらは同じWalvis Ridgeの掘削コアからXRFにより「(温暖化イベントは)10万年と40.5万年周期の離心率周期によって調節された歳差運動の周期によって支配されている。PETMもETM2も10万年周期の最大離心率の時期に関連して起こっている。両者ともに40.5万年周期の最大離心率期の前後4分の1の時期に起こっておりPETMは最大離心率より遅れ、ETM2は先立って起こっている。」ことを見出している。またRöhlらもWalvis Ridgeのコアから約5200万年前のPETM-like変化を示す粘土層を第3の温暖化イベントとして報告している。
　2007年にはNicoloらが、ニュージーランド南島の5400万年前から5300万年前の地層の露頭からPETMとは別の4つの陸源のマール（泥灰岩）層準を発見し、これらもPETMと同様のCIEなどの特徴を持つことを報告している。

　以上をまとめると暁新世末から始新世にかけては少なくとも5回の温暖化イベントがあった。これらはすべてCIE、すなわち大気海洋系への12Cリッチな炭素の流入を伴っていた。その中で最初に起こって最もメジャーなイベントがPETMである。また1番目のPETMと2番目のETM2は地球軌道の離心率最大期に起こり、なおかつ歳差運動とも密接な関連があることが示唆されている。このことはこの時代においてもミランコビッチサイクルが温暖化イベントの発生に深く関与していることを示している。
 

参考論文 

Lourens,L.J. et al. Astronomical pacing of late Palaeocene to early Eocene global warming events. Nature 435. pp1083-1087(2005)

 see also.
Astronomical pacing of late Paleocene to early Eocene global warming events
 

Westerhold, T. et al.  On the duration of Magnetochrons C24r and C25n, and the timing of early Eocene global warming events: Implications from the ODP Leg 208 Walvis Ridge depth transect. Paleoceanography :22 (2007)

 

Sluijs, A. et al.: Arctic late Paleocene – Early Eocene paleoenvironments with special emphasis on the Paleocene – Eocene thermal maximum (Lomonosov Ridge, IODP Expedition 302):Paleoceanography 23:(2008)

 

Röhl, U. et al. The third and final early Eocene thermal maximum: characteristics, timing, and mechanisms of the "X" event, Geological Society of America Annual Meeting – Abstracts 37:264.(2005)

 

Nicolo, M. J.et al. Multiple early Eocene hyperthermals: Their sedimentary expression on the New Zealand continental margin and in the deep sea. Geology 35, 699–702 (2007)

 

注1）ミランコビッチサイクルには離心率(Eccentricity)、歳差運動 (Precession)、および自転軸の傾斜角 (Obliquity)の3つがあり、離心率の周期は約10万年と40.5万年、歳差運動 は約2万年、自転軸の傾斜角の変化は約4万1000年の周期で変化しているとされている。PETMのような極端な温暖化イベントは離心率が大きくかつ近日点での地軸の傾きが北半球の夏になるような歳差運動周期のときがもっとも起こりやすいと考えられている。
 

左図は離心率による季節による地球への日射量の変化の模式図




左図は離心率最大時の歳差運動による地軸の傾の影響





注2）ミランコビッチサイクルと海底堆積物の磁化率変化の関係はYamazaki,T. and Oda,H.に詳しい。彼らはニューギニア沖で採取された230万年におよぶ堆積物の地磁気の伏角と強度の変動に10万年周期があることを発見しこれとミランコビッチサイクルの離心率の変動が同期していることを報告している。

 
参考論文

Yamazaki,T. and Oda,H.Orbital Influence on Earth's Magnetic Field: 100,000-Year Periodicity in Inclination.Science 295. pp. 2435 – 2438(2002)

暁新世･始新世温度極大期；２．CIEの原因

　5500万年前といえば、大陸配置も現在とは少し異なっている。その頃の地質学的なイベントや大陸配置はこちらに詳しい。ただし図がないので一目瞭然とはいかないのでSluijsの総説から当時の大陸分布図を参考のために示しておく。

 
図はThe Palaeocene-Eocene Thermal Maximum super greenhouse:
biotic and geochemical signatures, age models and mechanisms of global changeより

CIE（carbon isotope excursion）の原因は13Cが少ない炭素のリザーバーから大気―海洋系に短期間で大量の炭素の流入があったためと考えられる。δ13Cの値について概略の数値を期した図を提示しておく。



炭素安定同位体比の概略図

ここで簡単にδ13C、安定炭素同位体比について説明しておく。基準となる物質（多くは海洋生物のベレムナイト）と比べてどれだけ13Cの含まれる比率が多いか（プラスの値）少ないか（マイナスの値）を表している。したがって海水はほぼベレムナイトに等しいので0である。大気のCO2は海水からの蒸発時に軽い炭素の方が蒸発しやすいため（重力による分別）7‰ほど軽くなる。（－7‰）さらに光合成を行う植物は軽い炭素を好んで使うのでC4植物で－14‰、C3植物では－27‰と値が小さくなる。また海底で堆積した有機物が熱分解された熱分解起源メタンは－25~60‰（平均－30‰）、嫌気的に微生物で分解された微生物起源メタンなら－55~85‰（平均－60‰）とさらに負の値が大きくなっている。

PETMでは浮遊性有孔虫で－2.5~4‰以上、底性有孔虫で－2.5‰、土壌中の炭酸塩粒子で－5~6‰、陸域の高等植物で－4~5‰のδ13Cの負移動が起こっている。（CIE）これは負の値の大きな炭素が比較的短期間に大量に大気－海洋系に流入したと考えられる。したがって図からわかるように大気のδ13C－7‰より軽い値を持つ炭素がその起源として考えられている。

　まず、陸上生物起源の炭素（δ13C＝－27‰程度）が世界的規模の大火災で放出されたという説がある。しかしこの説は当時の大火災を示す証拠がなくCIEのメインの理由とは考えにくいようだ。次にその他の仮説のほとんどすべてが海洋底に広く分布しているメタンハイドレート（methane hydrate:MH）をCIEの原因炭素に挙げている。図からわかるように熱分解起源メタン（主として深海底に存在）、微生物起源メタン（主として大陸棚などの浅海底に存在）ともに非常に低いδ13C値を持っておりこれらが何らかの原因で大気－海洋系に流入すれば効率よくCIEを引き起こすことが可能となる。

　MHの融解を引き起こした原因については多くの研究者によって種々の仮説が提唱されている。爆発流星の衝突によるもの、あるいはちょうどこの時期は北大西洋の分裂開始の時期と一致し、火山活動が盛んな時期でマグマの貫入によってMHが融解したという説がある。実際にノルウェー海の地震波探索でたくさんの排気孔のあとが見つかり、北東大西洋の炭素を豊富に含む堆積層にマントル由来マグマの大量の貫入がCIEの原因となったという説がある。また北大西洋地域の数百メートルにおよぶ一過性の隆起が海底のMHを融解させCIEの原因となったという説もある。これらの説に共通するのはCIEがPETMの温度上昇を引き起こしたとする考え方である。反対に深層水の温度上昇がMHの融解を起こしてCIEを引き起こしたとする考えもある。すなわち、CIEはPETMの原因ではなくて結果であるという考えである。たとえばDickens et al.（1995）は深層水温が11℃から15℃に上昇すれば中深度以浅のMHが融解し、CIEを説明できるとしている。またTripati & Elderfield (2005) は、南北両半球と赤道近くの中間深度の海底水温の上昇がCIEよりわずかに先行していることを示し水温の上昇がMH融解の引き金になったと説明している。

　次に放出された炭素の総量の推定について述べる。これにはCIEの大きさと起源物質のδ13Cを考慮して放出された総炭素量を推定する方法と、CIE自体が温室効果（赤外活性効果）により気温上昇を引き起こしたという考えに立脚して、現在推定されている気候感度（CO2倍増時の気温上昇）から放出された総炭素量を見積もる方法などが行われている。

 　まず第一の方法では、上述のDickens et al.では、CIEの大きさを−2 ～−3‰として炭素換算で1100～2100GtC以上のδ13C－60‰のMHの融解が必要としている。二番目の気候感度から推定する方法としてPagani, M. et al.(2006)を紹介する。気候感度を1.5～4.5℃としてPETM前の平均気温が産業革命前より5℃ほど高かった推定し、これから当時の大気中CO2濃度を750～2600ppmvと見積もった。さらにここから5℃上昇させるのに必要な炭素量を3900～57000GtCと計算している。しかし、気候感度が現在いわれているものと同じでは平均気温の上昇を説明できず、もっと気候感度が大きくないといけないと主張している。ついでに当時のCO2濃度の推定について触れておく。Lowenstein,T.K. and Demicco,R.V.（2006）は塩水湖に堆積した炭酸ナトリウム鉱物から早期始新世（5600万年前～4900万年前）の温暖期の大気中CO2濃度は1125ppmv以上あったと見積もっている。その他の推定値も現在より高い値が一般的である。この事実だけからみても「CO2濃度の上昇で地球が破壊される。」というような気候警鐘家の脅し文句は根拠のないことがわかる。その他のCIEで排出された総炭素量の推定方法としてZachos,et al.(2005)は南大西洋の異なる古深度の堆積コアの分析によりcalcite compensationdepth (CCD)が海水pHの低下により2km以上浅くなったことを見出し、これから必要な炭素量は2000 GtC以上であったとしている。またZeebe,R.E. et al.(2009)は最近の論文でCIEの大きさとCCDの変化の両方を満たすようにモデルを使って計算し排出された総炭素量を3000GtCと推定した。しかしこの量では現在もっともらしいと言われている気候感度からはPETMにおける温度上昇を説明できないとし、温度上昇には別の要因の存在が必要と述べている。
参考サイト
地球のささやきPETM　2．原因
参考論文
Storey,M. et.al. Paleocene-Eocene Thermal Maximum and the Opening of the Northeast Atlan.Science316:pp587-589(2007)
Cramer,B.S. and Kent,D.V. Bolide summer: The Paleocene/Eocene thermal maximum as a response to an extraterrestrial trigger. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol.224:144-166(2005)

Sluijs,A.et al.

ThePalaeocene-Eocene Thermal Maximum super greenhouse:biotic and geochemical signatures,age models and mechanisms of global change.

Svensen, H. et al.  Release of methane from a volcanic basin as a mechanism for initial Eocene global warming. Nature 429:pp542-545(2004)
Maclennan,J. and Jones S.M.Regional uplift, gas hydrate dissociation and the origins of the Paleocene Eocene Thermal Maximum. Earth and Planetary Science Letters 245:pp65-80(2006)
Dickens, G. R.et al. Dissociation of Oceanic Methane Hydrate as a Cause of the Carbon Isotope Excursion at the End of the Paleocene, Paleoceanography 10:pp 965–971. (1995)
Tripati,A. and Elderfield,H. Deep-Sea Temperature and Circulation Changes at the Paleocene-Eocene Thermal Maximum. Science 308:pp.1894-1898(2005)
Zachos,J.C. et al. Rapid Acidification of the Ocean During the Paleocene-Eocene Thermal Maximum. Science 308:pp.1611-1615 (2005)
Zeebe,R.E. et al. Carbon dioxide forcing alone insufficient to explain Palaeocene-Eocene Thermal Maximum warming.NatureGeoscience 2:pp576-580(2009)
Pagani, M. et al. An ancient carbon mystery.Science 314.pp1556-1557(2006)
Lowenstein,T.K. and Demicco,R.V. Elevated Eocene Atmospheric CO2 and Its Subsequent Decline.Science 313:pp1928(2006)

以上まとめ

1. PETMにおけるCIEを起こした炭素源についてはδ13Cの小さな海洋底のMH特に微生物起源メタンの融解に原因を求める説が多い。

2. 融解の原因はさまざまであるが、PETMによる温度上昇がその原因であるというCIEは温度上昇の原因ではなく結果であるという説もある。

3. 暁新世のpre-PETMの大気中炭素濃度推定値はいずれも高いものが多く。1000ppmvを越えている推定値が多い。それでも生物は繁栄していた!!!

暁新世･始新世温度極大期；1.概要

私のブログを訪れてくださる読者の一部は勘違いしているようだが、私は地球温暖化が脅威でないと言ったことは一度もないし、CO2が温暖化の要因ではないと言ったこともない。温暖化の真実を知りたいだけである。・・・・・・・なーんちゃって。（笑）その証拠といっては語弊があるが、今回は昨年1月（1年半もたってる！）の気象予報士会での発表をもとにPETMについて少し書いてみる。

 

化石燃料起源の二酸化炭素が大気中に貯留し、その赤外活性効果（温室効果）によって気温が上昇しひいては大災害や生物の大量絶滅を引き起こす。これは温暖化論者の最も喜ぶ（危惧している？）カタストロフィックなシナリオである。一般にこれは根拠のない妄想と考える人もいるかもしれないが、実は歴史上そのような事件が実在したと考えられている。今から約5500万年前に起こった暁新世始新世温度極大期（Palaeocene-Eocene Thermal Maximum；PETM）がそれである。

PETMは1991年のKennett&Stottが底性有孔虫の殻の酸素および炭素同位体比の異常と底性有孔虫の過去9000万年で最大の絶滅を報告したのが最初とされ、以後現在まで多くの知見が蓄積されている。炭素同位体比の異常、つまりCIE（carbon isotope excursion）とは12Cに富んだCO2あるいはメタンが大気海洋系に短期間（数千年内）に大量に注入されたことにより海洋生物の石灰殻や陸上生物の歯でもδ13Cの負の方向への移動が指摘されている。注入された炭素の量は炭素換算で2000~4000GtCにも及ぶと推定され、現在の人類による化石燃料消費と期間･量ともに極めて似ており現在進行中の気候変動との関連が注目されている。

この時代が急激に温暖化したことは、熱帯域では海表面温度の4～5℃におよぶ上昇や深層水温も同程度の上昇をしたことが酸素同位体比（δ18O）の負移動や石灰殻のMg/Ca比から示されている。陸上生物圏では北半球では熱帯生物の北上が指摘されている。高緯度地域では北極圏での海表面温度の18℃から23℃と著明な上昇が指摘され、北緯80°に位置するエルズミア島ではこの時代に森林が繁茂しワニなどの爬虫類や哺乳類も生息していたことが知られている。浅海域では熱帯性の渦鞭毛藻が大陸に沿って高緯度域まで大繁殖しており、このことには海水温の上昇だけでなく海水準の上昇も関与していると考えられている。またPETM時にはcalcite compensation depth (CCD)が2kmも浅くなっており、一過性の海洋酸性化が起こったことも示唆されている。

上に述べたようにPETMは大気中CO2（メタン）濃度の極端な上昇とともに、地球の平均気温が４～５℃上昇し海水準の上昇、海洋の酸性化および底性有孔虫の絶滅が同時期に複合的に起こったイベントと考えられている。まさに温暖化論者が泣いて喜ぶ組み合わせで、現在進行形の気候変動の最終的な終着駅との考えも存在している大変重要なイベントである。松岡の論文の「はじめに」の部分が割とまとまっているようだが、私の知る限り日本語では適当な総説がない。英語ではPETM研究の最先端の一人であるユトレヒト大学のAppy Sluijsの大変素晴らしい総説がある。ぜひ一度読んでいただきたい。また拙ブログの左欄からはSluijsの研究サイトにリンクしている。こちらは少し専門的で骨が折れる内容だが興味のある方はどうぞ。PETMは「これを知らずして現在の温暖化を語るなかれ」とまで言われている新生代初期の大事件である。まだ長くなりそうなので今回は概要のみとする。続く（予定）

 

本項の要旨は日本気象予報士会西部支部2008年1月例会（2008年1月12日）にて「暁新世･始新世温度極大期最新の知見」として述べたものです。

2009年7月16日一部修正（参考文献、リンクなど）

参考サイト 

岐阜大学教育地学部地学教室理科教材データベース
 

The Canadian Encyclopedia : Ellesmere Island Eocene Fossils

参考文献

Tripati,A and Elderfield,H.Deep-Sea Temperature and Circulation Changes at the Paleocene-Eocene Thermal Maximum Science 308.  pp. 1894 - 1898(2005)

有孔虫のMg/Ca比から熱帯･域亜熱帯域の深層水温が4～5℃上昇
 

Zachos,J.C. et al.A Transient Rise in Tropical Sea Surface Temperature During the Paleocene-Eocene Thermal Maximum:Science 302.  pp. 1551 – 1554(2003)

PETM時の太平洋の海表面は4～5℃上昇した。

 

Kennett,J.P. and Stott,L.D.Abrupt deep-sea warming, palaeoceanographic changes and benthic extinctions at the end of the Palaeocene.Nature 353.pp225 - 229 (1991)

 

松岡景子ほか.海洋生物炭素循環モデルを用いた暁新世/始新世境界温暖化極大イベントにおける炭素循環変動の復元.地学雑誌115,p715-726(2006)

 

Thomas,E & Shackleton,N.J. The Paleocene-Eocene benthic foraminiferal extinction and stable isotope anomalies.Geological Society, London, Special Publications 101.pp 401-441(1996)

 PETM時にはこの7500万年で唯一の底性有孔虫の大量絶滅が起こった。数千年間に30～50%の多様性の減少が認められた。

 

Sluijs,A.et al. ThePalaeocene-Eocene Thermal Maximum super greenhouse:biotic and geochemical signatures,age models and mechanisms of global change.

 

Sluijs,A. et al. Subtropical Arctic Ocean temperatures during the　Palaeocene/Eocene thermal maximum.Nature 441.pp610-613(2006)

 

Zachos,J.C. et al. Rapid Acidification of the Ocean During the Paleocene-Eocene Thermal Maximum.Science 308.pp1611-1615 (2005)