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2015-11-11

火山噴火が世界規模の天候におよぼす影響

[前の記事]で予告したように、火山噴火が世界規模の天候におよぼす影響についての基礎知識をまとめておく。(影響の持続時間が、Pinatubo級の噴火で2年程度なので、「気候」というよりも「天候」と言ったほうがよいと判断した。もっと長期の気候に対する影響は、複数の火山の噴火が続くことによって起こりうる。)

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1970年代の気候変動に関する解説には、「火山灰が太陽光をさえぎるので、空が暗くなり、地表に到達する太陽放射エネルギーが減るので、気候が寒冷化する」という記述がよく見られた。

地域規模(千kmくらいまで)、短期間(噴火継続中から数日後まで)の天候に対して起こる影響としては、この記述はもっともだ。

たとえば、Robock (2000)によれば、1980年アメリカのセントへレンズ(St. Helens)山の噴火の日には、東に135kmのYakimaの地上気温が、時刻によらずほぼ一定だった。噴火がなかった場合に比べて、噴煙(火山灰)の太陽放射と地球放射を変える効果が、昼に8℃冷却、夜に8℃加熱の働きをしたと見積もられている。この場合は昼夜平均すると地上気温に対する効果はゼロだが、他の場合には昼の効果のほうが強いことが多いようだ。

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しかし、全世界規模の天候に影響するのは、エーロゾル(大気中にただよう固体・液体の微粒子)にはちがいないのだが、その主役は、成層圏に達した火山ガス中の二酸化硫黄(SO2)が大気中で反応してできた硫酸の液滴であることがわかってきた。岩坂(2013)の総説によれば、それは1960年代後半から1980年代に行なわれた一連の観測研究の成果だが、なかでも1974年のグアテマラのFuego山、1982年メキシコのEl Chichón山の噴火の観測の寄与が大きかった。観測には、気球・航空機での直接サンプル採集と、ライダー(レーザーレーダー)による観測がある。ライダー観測で得られたレーザー光の偏光解消度から、エーロゾル物質が何であるかが推測された。粒子の形が球だと、入射光の偏光状態が反射光でも維持され、球からずれるほど偏光が解消される。火山灰(岩石片)は偏光解消度が大きく、硫酸液滴は偏光解消度が0に近いのだ。エーロゾルの光学的厚さと偏光解消度から、エーロゾルの変遷は次のように整理される(岩坂の第1図)。

  • 第1段階: 噴火後数週間。エーロゾル濃度はふえ、偏光解消度は高い。つまり、火山灰粒子がかなり含まれている。
  • 第2段階: エーロゾル濃度は減少し、噴火後10か月から20か月でピークの1/e (≒1/3)になる。偏光解消度は第2段階のうち早い時期に0に近くなる。つまり、硫酸液滴が主になる。SO2がH2Oなどと反応して硫酸粒子がつくられる過程と、成長した粒子が落下する過程とによって濃度が変わる。
  • 第3段階: エーロゾル濃度はゆるやかに減少する。硫酸粒子はもはや生成されず、落下などによって減る一方だが、粒子は小さいので落下は遅く、濃度の変化はむしろ大気の大規模な運動による移流の影響を受ける。

成層圏エーロゾルには、次に述べる放射に対する影響のほかに、成層圏オゾンへの影響もある。エーロゾルの表面で、Clx (ClとClO)がつくられる反応が進行し、それがオゾン破壊を促進する。ただしこれは人為起源のクロロフルオロカーボンが成層圏に届いていることが前提で、自然状態では起きなかったはずだ。

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ここからは、Robock (2000)のレビュー論文と、Robockがウェブサイトに置いている講義資料のプレゼンテーションファイル(2014年)に基づいて述べる。Robockは大規模の気象の力学を背景として火山噴火の天候への影響を研究している人としておそらく世界で最有力な人だが、持論にこだわるところもある。わたしなりに取捨選択したが、他の研究者の主張と比較検討してみるべきかもしれない。

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成層圏に上がったエーロゾルは2-3週間で全経度に広がる。南北の広がりはそのときどきの風による。Pinatubo (北緯15度)のエーロゾルは赤道の南北に広がったが、El Chichón (北緯17度)のは赤道と北緯30度の間に広がった。成層圏には低緯度で上昇し高緯度で下降する循環【Brewer-Dobson循環】があるので、熱帯成層圏のエーロゾルは両半球の中高緯度に運ばれる。高緯度の噴火のエーロゾルはその半球の中高緯度に限られることが多い。

成層圏の硫酸エーロゾル粒子の大気放射に対する効果の第一は、太陽放射を散乱することだ。粒子の典型的直径は0.5 μmで、可視光の波長と同程度だ。前方散乱と後方散乱では前方散乱のほうが大きい【Mie散乱の理論参照】。この散乱の強化は、肉眼でも、非常に赤い夕焼けとして認識される。地表に達する直達日射は減るが前方散乱による下向き散乱日射がふえて、かなり補われる。しかし合計での全天日射も減る。

硫酸エーロゾルは太陽放射を吸収する割合は小さいが、それでも太陽放射の近赤外部分の吸収は無視できない量である。またエーロゾルは地球放射(熱赤外線)を吸収・射出するので、温室効果ももつ。

結果として、地表の熱収支にとっては、直達日射の減少が、散乱日射の増加と、エーロゾルの温室効果とを上回って、正味で冷却となる。他方、成層圏では、エーロゾルのあるところで、太陽放射の近赤外部分の吸収と下からの地球放射の吸収によって、正味で加熱となる。

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火山噴火の強さと天候への影響の強さとの関係は必ずしも単純でない。火山が放出した硫黄の量、それが成層圏に達したかどうか、大気循環によってどのように広がったかによる。

火山噴火の指標としてはNewhall & Self (1982)のVEI (Volcanic Explosivity Index、火山爆発指数)がよく使われる。これは火山噴出物のうちテフラ(火山灰・火砕流など、いったん大気中に出て降下した岩石類)の体積を対数目盛りで階級わけしたものだ。火山学上の注意としては、爆発的でない溶岩流出は含まれておらず、たとえばハワイのKilauea山の現在の噴火は溶岩流出の規模は大きいがVEIは1にすぎない。他方、天候との関係での注意としては、成層圏への硫黄の注入量は、必ずしもVEIとよく対応しない。たとえば1980年のSt. Helensの噴火はVEI 5だったが、硫酸エーロゾルのグローバルな影響という面では無視できるものだった。しかし同じVEI 5でも、1982年のEl Chichónや1963年のインドネシアのBali島のAgungなど、無視できない場合もある。

Robockたちは、南北両極圏の複数の氷コアの硫酸イオン濃度あるいはその代理としての酸性度・電気伝導度のデータに基づいて、大気中の硫酸エーロゾル量の指標データを作った。Gaoほか (2008)の論文では、西暦501-2000年の時系列の値を求めている。これにも氷コアの位置に近い噴火が大きく見えるなどの欠点はあるが、天候への強制としての火山噴火の指標として現在得られるもののうちで相対的には有用だろう。

1991年フィリピンのPinatubo山の噴火(VEI 6)で出たSO2の量は20 Mt (20 Tg、2×1010 kg)と見積もられている。【上に注意したとおり関係は不確かだが、おおざっぱに言えば、1815年のインドネシアのSumbawa島のTambora山の噴火(VEI 7)ではこれより1桁、7万年前のインドネシアのスマトラ島のToba火山の噴火(VEI 8)では2桁多い量が出たと見てよさそうだ。】

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天候への影響としては、次のようなことが指摘されている。

成層圏の高温。成層圏下部の気温が高くなる。Pinatubo噴火後は全球平均気温が2℃上がった状態が約2年続いた。熱帯の噴火では熱帯で温度上昇が大きく、赤道と極との間の温度勾配が大きくなり、極渦が強くなる。

地上の(とくに夏の)低温。地表面に達する下向き放射が減ることが冷却に働く。これが地上の天候への主要な影響だと言えるだろう。熱帯の気温および中緯度の夏の気温にはこのシグナルが見られることが多いが、エルニーニョに負けることもある。

夏の陸上の降水・河川流量の減少。【Robockは2000年のレビュー論文でこの因果関係があると解釈できる例を示したが確信度は低いと言っていた。2014年のプレゼンテーションファイルでは確信をもって述べている。ただし熱帯の噴火と中高緯度の噴火とでは応答に違いがあるとしているようだがその趣旨は必ずしもよくわからない。他の研究者の確信度はまだ低いのではないかと思う。】Trenberth & Dai (2007)は、Pinatubo噴火後に世界の陸上の降水量・河川流量が減ったことを示した。また、Tambora噴火後にインドの夏のモンスーンが弱かった(雨が少なかった)ことが知られている。熱帯の夏のモンスーンによる降水に関しては、エーロゾルがあると、地表に達する放射が減るので、モンスーン前の乾季の陸面の加熱が弱く、海陸の温度コントラストが弱いので、モンスーンが発達しないという理屈がある。【しかし雨季が始まってしまえばいずれにせよ温度コントラストは弱まるので、この効果が持続するかは疑問だとわたしは思う。】

北半球中緯度の大陸上の冬の高温。ある緯度帯が一様に高温になるのではなく、波状に、高温のところと低温のところができる。これは放射強制では説明できないが、大気の力学を介するしくみでの、噴火に対する応答である可能性がある。Robockは次のような因果連鎖を考えている。熱帯成層圏の加熱→冬半球成層圏の南北温度勾配・気圧勾配の強化→極渦の強化→プラネタリー波が対流圏にとどまる→定在波→波状温度偏差。【これも、他の研究者の確信度はまだ低いのではないかと思う。】

文献

  • Chaochao Gao, Alan Robock and Caspar Ammann, 2008: Volcanic forcing of climate over the past 1500 years: An improved ice core –based index for climate models. Journal of Geophysical Research, 113: D23111. http://climate.envsci.rutgers.edu/IVI2/
  • 岩坂 泰信, 2013: 火山噴火と気候。天気, 60:803-809. http://www.metsoc.jp/tenki/PDFファイルがある。
  • Christopher G. Newhall and Stephen Self, 1982: The volcanic explosivity index (VEI): An estimate of explosive magnitude for historical volcanism, Journal of Geophysical Research, 87: 1231-1238.
  • Alan Robock, 2000: Volcanic eruptions and climate. Reviews of Geophysics, 38: 191-219. http://doi.org/10.1029/1998RG000054
  • Alan Robock, (2014): Volcanic eruptions and climate. 著者ウェブサイト http://envsci.rutgers.edu/~robock/ にあるプレゼンテーションファイル VolcanoClimate22.pptx (2014-07-08 更新)
  • Kevin E. Trenberth and Aiguo Dai, 2007: Effects of Mount Pinatubo volcanic eruption on the hydrological cycle as an analog of geoengineering. Geophysical Research Letters, 34, L15702, http://doi.org/10.1029/2007GL030524

リンジャニ(Rinjani)火山の噴火

わたしは、地球科学に関連するニュースとして、火山の噴火はいくらか気にとめるけれども、正直なところ、溶岩や火山灰による被害があっても、知っている人が影響を受けないかぎり、継続して気にかけはしない。全世界規模(global)の気候を専門とする者として、天候に影響を与える噴火を気にしている。全世界あるいは半球規模に影響があるのは、噴煙が成層圏におよぶ場合だ。そして、火山の場所が熱帯だと、南北両半球に影響がおよぶことが起こりやすい。だから、日本の噴火よりもむしろ熱帯の噴火のニュースが気になる。

インドネシアのリンジャニ(Rinjani)火山群のバルジャリ(Barujari)山が噴火している。わたしがこのニュースを知ったのは11月4日だった。

Rinjani火山はロンボク(Lombok)島にある。インドネシアの人口が集中したJawa (英語ではJava)島の東に、主要な島だけをあげると、Bali島、Lombok島、Sumbawa島、Flores島の順にならんでいる。

世界的ニュースになったのは、Lombok島の災害としてではなくて、観光地として有名なBali島のDenpasar空港 (詳しく言うと市内ではないのだが空港がもよりの大都市の名で呼ばれるのはふつうのことだ)が、噴煙で飛行機を飛ばすのは危険と判断されて、3日からしばらく閉鎖されたとのことだった。6日には、風向きが変わったためらしいが、閉鎖は解除されたが、航空会社それぞれの判断で欠航しているものがあるそうだ。

Baliの飛行場の件以外は、日本での報道は少ないが、ネット上では、たとえば「てるみつ部屋BLOGhttp://red.ap.teacup.com/terumitsubeya06 に、Smithsonian Institutionの火山総覧の中のこの火山の情報(英語)、日本の気象衛星ひまわり8号の画像(アメリカのNOAAで編集されたもの)や、インドネシア火山地質災害軽減センターによる観測データの評価(インドネシア語)などがリンクされている。また、BaliのDenpasar近郊とも言えるところに住む日本語話者の人のTwitterでの発言で、そこでは、火山灰が積もって掃除する必要がある、という程度に、日常生活に影響が出ていることがわかった。

どこかで11月4日の噴煙の高さが3500mという情報を見たのだが、海面からの高さなのか、Barujari火口からの高さなのか、(たぶんそういうことはないと思うが) Rinjani主峰からの高さなのか、確認していない。

DenpasarはRinjani山から西に150kmほど離れている。南緯8度のこのあたりでは対流圏の風が基本的に東風、日本では西風であることを考慮して、たとえてみると、阿蘇山が(現に噴火しているけれども、もっとはげしく)噴火して、高知空港が一時閉鎖され、高知の住民の生活に不便が生じている、といった感じだろうか。(関係ないのにひきあいに出した地域のみなさん、ごめんなさい。)

わたしはLombok島の名まえは前から知っていたが (Bali島とLombok島の間の海峡は比較的深いので、生物の種類が大きく違う境としても知られているし、タンカーなどの船の航路としても知られている)、Rinjaniという地名は、2013年10月の科学関係のニュースを見るまでは知らなかったし、そのあと忘れていた。しかし、最近、火山が気候におよぼす影響について勉強してメモを作る際に調べて書いた(書きまちがえて訂正したりした)ところだったので、覚えていたし、続けて出会ったことに驚いた。

【火山噴火が気候におよぼす影響に関する基礎知識[別記事]にする。】

最近千年間【この表現は変に感じられるかもしれないが、現在を終点とする時間の区間を表現する定型と思ってほしい】で、成層圏エーロゾル(微粒子)を通じて気候に影響を与えた火山の噴火のうちで最大級のものとして、Sumbawa島のTambora火山の1815年の噴火がよく知られている([Wood (2014)の本の読書ノート}参照)。これと大まかに同規模(VEI [volcanic explosivity index、火山爆発指数] 7) の噴火が1258年ごろにもあったことが、グリーンランド南極の氷の硫酸イオン濃度などからわかるのだが、どこの噴火によるものかはながらくわからなかった。2013年10月に、Lavigne ほか(2013)の論文が出た(その前に2012年中に速報があったらしいがわたしは気づかなかった)。この論文で、これはRinjani火山群のSamalas山の噴火であり、時期は1257年5月から1258年1月の間だが1257年10月までの可能性が高いとされた。

この大噴火と今回の噴火の場所の関係について、わたしはだいたい次のように理解した。インドネシア語だが、模式図がわかりやすいので、バリ島の地方新聞 Tribun Baliウェブサイトにある記事(2015-11-04づけ)を紹介しておく。これとWikipedia英語版「Mount_Rinjani」(2015-11-11現在)をおもに参照した。【情報源はそのくらいなので、わたしの記述を信頼できる情報源と考えないでほしい。】Samalas山とは、かつてこの火山群の主峰であり中央火口だったが今はない山をさす。標高は4200mくらいだったと推定されている。1257年の噴火でこの山の中央部が崩壊し、カルデラになった。そこは現在、Segara Anakan湖となっている。その水面標高は約2000mである。残った部分が現在のRinjani山で、主峰の標高は3726mである[2011-11-12 数値の書きまちがいを訂正しました]。その後、カルデラ内に新しい火口丘ができた。これがBarujari山と呼ばれている。その現在の標高は2376mである。人による直接の記録が残っている最古の噴火は1847年のものだが、これを含めて現在までほとんど(全部ではない)の噴火はBarujari山の山頂または側面からのものである。なおインドネシア語でbaruは「新しい」、jariは「指」だが、「新しい指」ならばjari baruとなるはずだ。現地の言語では違う意味なのかもしれない。

しろうと考えだが、VEI 7の巨大噴火が同じ場所で起こる間隔は万年の桁になるのがふつうであり、900年のうちに起きる可能性は低いのだと思う。しかし、噴出物の量が一桁小さいVEI 6 (1991年フィリピンのPinatubo山の噴火がその例)でも気候にいくらかの影響がある。今回の噴火はそのレベルにも達していないはずだが(まだVEIの確かな情報は見ていないが未確認情報で2らしいというのがあった)、もうしばらく気にかけておきたい。

【「てるみつ部屋BLOG」の11月11日の記事によれば、グアテマラのFuego火山でも11月10日(日本時間11日)に噴火が起きている。これも熱帯なので気にかけておく必要がありそうだ。この火山の名まえにもわたしは最近出会っていた。岩坂(2013)の解説に、1974年に起きたこの火山の噴火(VEI 4)について新技術による観測が行なわれ、火山起源のエーロゾルの実体を知るのに大きく貢献した、という話があったのだ。】

文献

  • 岩坂 泰信, 2013: 火山噴火と気候。天気, 60:803-809.
  • Franck Lavigne, Jean-Philippe Degeai, Jean-Christophe Komorowski, Sébastien Guillet, Vincent Robert, Pierre Lahitte, Clive Oppenheimer, Markus Stoffeld, Céline M. Vidal, Surono, Indyo Pratomo, Patrick Wassmera, Irka Hajdas, Danang Sri Hadmoko, and Edouard de Belizal, 2013: Source of the great A.D. 1257 mystery eruption unveiled, Samalas volcano, Rinjani Volcanic Complex, Indonesia. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A., 110: 16742-16747. http://doi.org/10.1073/pnas.1307520110
  • Tribun Bali, (2015-11-04): Gunung Barujari Bukan Anaknya Rinjani. http://bali.tribunnews.com/2015/11/04/gunung-barujari-bukan-anaknya-rinjani

[2015-11-12補足] Bali, Lombok, Sumbawa島の位置関係を説明するための地図をつくってみた。ただし基本の図はGoogle Mapによっている。縮尺を示すために(見にくくて申しわけないが)「20 km」のものさしも入れてある。画像の横画素数は639なので、ブラウザの画面の横幅がそれより狭いと右側が隠れる。

f:id:masudako:20151112152533p:image:w639:left

【20年前から5年前までのわたしならば、このくらいの地図を示したかったら、おそらくGMT (Generic Mapping Tools) を使って、自まえで作図したにちがいないのだが、能力がおとろえてしまったのが、なさけない。】