衝突によるスノーボール・アースの開始： モデル研究

解説

　この論文は、地球の歴史の中で何度か起きたと考えられる「スノーボールアース」と呼ばれる現象について、その原因の一つとして大きな隕石の衝突を考えたものです。スノーボールアースとは、地球の表面がほとんど氷に覆われた状態のことで、生物にとってはとても厳しい環境です。この論文では、コンピューターを使って、いろいろな気候の状態で隕石が衝突したらどうなるかをシミュレーションしました。その結果、以下のことがわかりました。

 

●隕石の衝突はスノーボールアースを引き起こす可能性がある。隕石が衝突すると、大量のほこりや硫黄が大気中に飛び散り、太陽の光が地表に届きにくくなります。これによって地球は急激に冷えて、海や陸の氷がどんどん広がります。この氷は白いので、太陽の光を反射してさらに冷えるという悪循環が起きます。このようにして、スノーボールアースになる可能性があります。

 

●気候の状態によってスノーボールアースになるかどうかが変わる。隕石の衝突だけではスノーボールアースになるとは限りません。気候がもともと暖かかったり、二酸化炭素が多かったりすると、海水が凍りにくくなります。また、隕石の大きさや衝突した場所によっても、大気中に飛び散る物質の量や種類が変わります。この論文では、現在の気候や恐竜がいたころの気候ではスノーボールアースにならないことを示しましたが、氷河期や約7億年前の気候ではスノーボールアースになることを示しました。

 

　この研究の意義は、地球の気候変動のメカニズムをより深く理解することにあります。スノーボールアースは、地球の歴史において重要な役割を果たしたと考えられます。例えば、スノーボールアースから脱出するためには、大量の二酸化炭素が必要ですが、それは火山活動や生物活動によって供給されたと考えられます。また、スノーボールアースの間やその後には、生物の進化や多様化が促されたと考えられます。隕石の衝突は、スノーボールアースの原因の一つである可能性がありますが、それだけでなく、生物の絶滅や進化にも影響を与えた可能性があります。このように、隕石の衝突は、地球の気候や生命にとって重要な出来事であると言えます。

 

ニュース　ナショナルジオグラフィック「スノーボールアース」、小惑星の衝突が引き金だった、新説

 

要旨

　新原生代から古原生代にかけて、地球表面のほとんどが氷に覆われた「スノーボール・アース」エピソードが何度かあったことが地質学的証拠から指摘されている。これらの地球規模の氷河期は、地球史上最も顕著な気候変動であった。我々は、チクシュルーブ衝突に匹敵する規模の小惑星衝突後の衝撃の冬が、氷-アルベドフィードバックの暴走と地球規模の氷河化を引き起こした可能性があることを示す。最新の大気海洋気候モデルを用いて、産業革命前、最終氷期最盛期（LGM）、白亜紀様気候、新原生代気候について、衝突後の気候応答をシミュレーションした。産業革命前と白亜紀のような気候では温暖な海水温がスノーボールの発生を防ぐが、LGMと新原生代のような寒冷な気候シナリオの海水温は急速に海氷を形成し、海洋の初期状態に高い感度を示す。スノーボール前の気候が寒冷であったことを示唆することから、我々は、以前に他の人々によって示唆されたように、大きな衝突によるスノーボール・アースの開始が、確固とした可能性のあるメカニズムであると主張し、地質学的な検証について論じて結論とする。

論文

MINMIN, FU et al. 2024 Impact-induced initiation of Snowball Earth: A model study DOI: 10.1126/sciadv.adk5489

 

論文要約

INTRODUCTION

●地球の歴史には、氷河期と呼ばれる時期が何度かあり、その中でも最も寒冷なのがスノーボールアースと呼ばれる状態で、地球の表面のほとんどが氷に覆われていたと考えられる時期である。

●スノーボールアースは、新原生代（約7億2000万年前から6億3500万年前）と古原生代（約22億5000万年前）に発生したという証拠があるが、その原因は未だに不明。

●スノーボールアースの原因として提案されている仮説の中には、太陽の輻射強度の低下、低緯度にある大陸の分布、火山活動や生物活動による大気中の二酸化炭素濃度の変化、メタン温室効果の崩壊などがあるが、いずれも矛盾や不十分な点がある。

●本研究では、別の仮説として、大規模な隕石衝突がスノーボールアースの引き金となった可能性を検討する。隕石衝突は、大量の硫黄や煤などを成層圏に放出し、太陽の光を遮って地球の表面を冷却する現象、いわゆるインパクト・ウィンターを引き起こす。

●インパクト・ウィンターの最も有名な例は、恐竜絶滅と関連するチクシュルーブ衝突である。この衝突は、6600万年前にメキシコのユカタン半島にあたる場所に直径約10 kmの隕石が衝突し、約200 Gtの硫黄を含む物質を大気中に放出した。これにより、地球の気温は数十年間にわたって低下し、海氷が拡大した。

●本研究では、最新の大気海洋結合気候モデルを用いて、チクシュルーブ衝突と同程度の規模の隕石衝突が、現代、最終氷期、白亜紀、新原生代のそれぞれの気候に与える影響をシミュレートした。その結果、現代や白亜紀のような暖かい気候では、隕石衝突による冷却は一時的であり、スノーボールアースには至らなかった。しかし、最終氷期や新原生代のような寒冷な気候では、隕石衝突による冷却が氷床反射率フィードバックを引き起こし、数年でスノーボールアースに移行した。

●これらの結果は、地球の気候が隕石衝突に対する感受性が高い状態にあった時期には、スノーボールアースが発生した可能性があることを示唆している。しかし、これまでにスノーボールアースと関連する隕石衝突の痕跡は発見されていない。そのため、本研究では、隕石衝突がスノーボールアースの原因であると断定することはできず、仮説の一つとして提示するにとどめている。

 

RESULTS

●本研究では、チクシュルーブ衝突と同程度の規模の隕石衝突が、現代、最終氷期、白亜紀、新原生代のそれぞれの気候に与える影響をシミュレートした。隕石衝突によって大気中に放出される硫黄の量によって、太陽の光の透過率が変化すると仮定し、6.6 Gt、200 Gt、2000 Gtの3つのシナリオを考えた。200 Gtはチクシュルーブ衝突における推定値であり、6.6 Gtと2000 Gtはそれよりも弱いと強い場合を表している。

●まず、白亜紀の気候を再現した4倍の二酸化炭素濃度のシミュレーションに対して、3つのシナリオを適用した。その結果、地球の平均表面温度と放射収支の変化は、他の研究と一致することを確認した。これは、我々のモデルと放射強制の設定が妥当であることを示している。

●次に、現代、最終氷期、新原生代の気候に対して、3つのシナリオを適用した。その結果、現代の気候では、200 Gtのシナリオでも、海氷の割合は最大で20%に増加するにとどまり、その後は元に戻った。6.6 Gtのシナリオでは、海氷の割合は10%程度に増加するにとどまった。2000 Gtのシナリオでは、海氷の割合は40%程度に増加したが、その後は減少した。これらの結果は、現代の気候がスノーボールアースに移行するには、チクシュルーブ衝突よりもはるかに強い隕石衝突が必要であることを示している。

●最終氷期の気候では、200 Gtのシナリオで、海氷の割合は8年で95%に達し、9年で97%に達した。これは、スノーボールアースの定義と一致する。6.6 Gtのシナリオでも、海氷の割合は7年で40%に達したが、その後は減少した。2000 Gtのシナリオでは、海氷の割合は6年で97%に達した。これらの結果は、最終氷期の気候がスノーボールアースに移行するのに、チクシュルーブ衝突と同程度の隕石衝突が十分であることを示している。

●4倍の二酸化炭素濃度の気候では、3つのシナリオに対して、海氷の割合は数%増加し、海氷の一時的な拡大が見られるが、雪球地球には至らない。これは、海洋の温度が雪球地球の発生に重要な役割を果たすことを示唆している。海洋の温度分布や循環も衝突の影響を受け、スノーボールアースに移行する前に急速に冷却することが確認された。

 

●DISCUSSION: この章では、シミュレーションの結果をもとに、衝突による雪球地球の発生の可能性や意味について議論する。古生代や新原生代の雪球地球が衝突によって引き起こされたという直接的な地質学的証拠はないが、衝突の痕跡は消失したり発見されていない可能性がある。また、深海に衝突した場合は、衝突の痕跡が残らないだけでなく、雪球地球に移行するには不十分な冷却効果しかないと考えられる。衝突による雪球地球は、他のメカニズムとは異なる特徴を持つと予想される。例えば、大気中のCO2の急激な増加や、海氷の縁の急速な進展などである。これらの特徴は、地質学的に検証できる可能性がある。最後に、衝突の頻度と雪球地球の発生の確率を見積もり、過去25億年の間に少なくとも1回は衝突によるスノーボールアースが起こったという仮説は無視できないと結論づける。

 

 

●MATERIALS AND METHODS: この章では、シミュレーションに用いた気候モデルや境界条件について説明する。気候モデルはCESM1.2.2という結合大気海洋一般循環モデルである。現在の気候や最終氷期の気候は、標準的な設定やPMIP4の境界条件を用いた。白亜紀の気候は、現在の気候に4倍のCO2を加えたもので、簡単のために現在の境界条件を用いた。新原生代の気候は、720 Maの古地理を用いた。地形や海底の詳細は不明なため、大陸は100 mの高さ、海洋は3700 mの深さとした。太陽の放射量は現在の94%とし、CO2の濃度は750 ppmと1500 ppmの2つのシナリオを試した。これらの気候は、海洋の温度と塩分が安定するまで2000年間回した。衝突の効果は、大気の透過率を時間とともに変化させることで表現した。透過率の変化は、Pope et al.の計算に基づいており、6.6、200、2000 Gtの3つのシナリオを用いた。衝突によるCO2の放出も試したが、効果はほとんどなかった。