先週サンフランシスコで開催されたアメリカ地球物理学連合年次総会（AGU23）では、出席した2万5000人以上の科学者たちが、ある明白な事実についてほぼ全員一致で意見を一致させました。それは、地球は温暖化しており、しかもその進行速度は速いということです。議論の中心は「もしそうなるかどうか」ではなく（それは既に確定済みです）、その上昇をどのように測定し、どのようにモデル化し、そしてどのような対策を講じるべきかという点にありました。
もちろん、後者の質問に対する最も直接的な答えも決まっています。それは、私たちが生活し呼吸している大気の下層である対流圏に、二酸化炭素（CO2 ― 比較的弱いものの、豊富で長寿命）やメタン（CH4 ― はるかに少なく短寿命ですが、非常に強力）などの温室効果ガス（GHG）を充満させるのをやめることです。
しかし、一つの巨大な問題が存在します。それは、世界の経済が現在、温室効果ガスを排出する化石燃料によって大きく支えられていることです。80億人の生活の質を向上させるこれらのエネルギー源を、無礼にも即座に奪い取れば、計り知れない混乱、苦しみ、そして争いを引き起こすでしょう。そのため、地球温暖化を遅らせ、風力、太陽光、原子力、地熱、車輪の上のハムスターなど、再生可能エネルギーへの避けられない移行がある程度成功するまで、どうすれば良いのか、調査が進められています。
地球工学の出番だ。本質的には、この包括的な技術群は、地球システムをハッキングすることで、たとえ一時的にせよ、地球温暖化とその悪玉である気候変動を打破しようとするものだ。結局のところ、大気（軌道運動や歳差運動、その他の要因とは対照的に）による地球温暖化は、太陽の短波エネルギーが地球表面で長波赤外線として反射し、二酸化炭素やメタンなどの緩く結合した気体分子によって吸収・再放射されるという単純な物理法則によって引き起こされる。そして、これらの分子が対流圏を温め、その上の成層圏を冷やす。これは何十年にもわたって紛れもなく測定されてきた事実である。
気候学者なら誰でも言うように、自然な地球温暖化は「良いこと™」です。単純な物理学（例えば、気候オタクを目指す皆さんのために、ステファン・ボルツマンの法則など）から、地球は温室効果ガスの毛布がなければ平均気温が約-15℃になることがわかります。温室効果ガスの毛布のおかげで、平均気温は約15℃です。問題は、私たちが急速に温室効果ガスを排出しているため、地球全体の気温も急速に上昇しているということです。これが問題なのです。
気候変動緩和策として、地球工学技術の中でも特に人気の高いのが太陽放射管理（SRM）です。これは、太陽が私たちを熱くしているのであれば、無防備なこの小さな地球に降り注ぐ太陽光線を遮ればいいのではないか、というものです。化石燃料への依存を断ち切るまでの時間を稼ぐために、太陽を遮る方法を見つけるための協調的な努力は、果たして必要でしょうか？
ああ、それがそんなに簡単だったらいいのに。
バーンズ氏を彷彿とさせる
SRMの解決策として、実に幅広いものが提案されてきました。例えば、宇宙空間に太陽光を遮る鏡を設置するという提案があり、「ブラジルほどの大きさ」のものや、80万メートル級の反射鏡を多数設置するという案もあります。他にも、微細な気泡を注入して海水の反射率を高める、より光沢のある作物を植える、反射率の高い屋根を造る、巻雲を薄くするといったアイデアもあります。
これらの提案はある程度の関心を呼んでいるが、これまで最も真剣に研究されてきた 2 つの SRM 技術は、海洋雲増光法 (MCB) と成層圏エアロゾル注入法 (SAI) である。そして確かに、SRM は TLA (3 文字の頭字語) がなければ最先端の科学とはみなされないだろう。
MCBとSAIは、前述のアシモフ級の鏡よりも、太陽光を遮蔽するSRM方式として最も有望と言えるでしょう。特に、これらの鏡は、地球と太陽の軌道が均衡する第一ラグランジュ点（地球から150万キロメートルも離れた場所）に設置すると最も効果的です。一方、MCBとSAIは、その謎めいた魔法を地球の大気圏内で作動させるため、はるかに安価で入手しやすいでしょう。
とはいえ、MCBとSAIはどちらも問題を抱えており、その一部はAGU23で議論されました。しかし、より現実的なこれら2つのSRM手法がもたらす課題について議論する前に、まずそれらを簡単に定義しておきましょう。
海洋雲輝成（MCB）は、大気中の特定の領域に海塩エアロゾルを散布し、太陽光を反射する層積雲の形成を促進する技術です。「なるほど、なるほど。でも海塩エアロゾルって何？」と疑問に思う方もいるかもしれません。では、もう少し定義してみましょう。エアロゾルとは、簡単に言うと、通常は空気または気体などの媒体中に分散した微小な粒子です。海塩エアロゾル（SSA）は、ご想像のとおり、海塩から構成されており、白波から噴出する海水の泡や、波による風のせん断など、様々な要因によって自然に生成されます。一般的に、風が強いほど、自然発生するSSAが多くなります。しかし、巨大な浮遊船で工業的に製造し、大気中に噴射することも可能です。MCBでは、まさにこのSSAを採用しています。
MCB の SSA が SRM に与える価値は、主に 2 つあります。まず、SSA は反射性があります。非常に反射性が高いのです。非常に反射性が高いのです。基本的に光をまったく吸収せず、照射される光の約 97% を反射します。次に、サブミクロンの SSA であっても吸湿性が非常に高いです。これは、水分子を引き付けて保持する能力を専門用語で表したものです。したがって、SSA は太陽光を反射するとともに、その高い吸湿性により雲の形成を助けます。また、SSA が形成を助けた雲は Twomey 効果により非常に明るくなります。これが SRM の用語「Marine Cloud Brightening」です。さらに、SSA は、アルブレクト効果 [PDF] と呼ばれるプロセスで、これらの雲をより長く生存させます。このような層積雲を誘発 (生成?) する最も効果的な方法は海上であるため、「Marine Cloud Brightening」という用語が使用されています。
成層圏エアロゾル注入 (SAI) は、同じ反射タスクを達成するために機能しますが、その方法は似ているようで異なります。
類似点は明白です。MCBとSAIはどちらも、太陽エネルギーが地球表面で反射して温室効果ガスを励起し、対流圏を温暖化するのを阻止することを目的としています。違いもまた、かなり明白です。まず、MCBは基本的に局所的なものです。支持者たちは、地球温暖化の影響を緩和するには、世界の海洋のわずか5%にSSAを注入するだけで十分だと主張しており、その注入は東太平洋に集中させる必要がありますが、必ずしもそうとは限りません。
一方、SAIはエアロゾルをはるかに地球全体に放出する。また、SAIの候補エアロゾルとして最も研究されているのは、MCBの海塩エアロゾルではなく、無機硫酸塩である。簡単に言えば（ごく簡単に言えば）、SAIは、1991年のピナツボ山噴火のような歴史的に見られた上層大気への硫酸塩の添加を模倣することになる。ピナツボ山噴火では、硫酸塩が水蒸気と結合して硫酸エアロゾルに変化し、地球を周回することで、少なくとも2年間地球を測定可能なほど冷却した。
「もしこれらの方法のどちらか、あるいは両方で、温室効果ガスを排出する化石燃料への依存から抜け出すまでの時間を稼げるなら、何が問題なんだ？ やってみよう！」とあなたは当然そう考えるかもしれません。しかし残念ながら、両方に当てはまる注意事項と、それぞれに個別に当てはまる注意事項がいくつかあります。
さて、欠点について
まず、SRM技術は、すでに私たちの生態系を汚染している温室効果ガスの量を削減しません。例えば、対流圏のCO2濃度の増加は、地球の海が私たちが大気中に排出するCO2のかなりの部分を吸収するため、海洋酸性化の大きな要因となります。その結果、海のpHレベルが低下し、アサリ、エビ、カキ、ロブスターといった美味しい海の仲間たちが殻を成長させるのが難しくなり、サンゴ礁も…ええと…サンゴ礁を成長させるのが難しくなります。生態系は壊滅状態です。
第二に、SRM（持続的環境規制）を開始したら、温室効果ガスの排出が止まるまで止めない方が良いでしょう。MCBもSAIも温室効果ガスの排出を黙って見ているわけではなく、温室効果ガスによる温暖化の悪影響を軽減するだけです。もしMCBかSAIのいずれかが停止された後も、それらが有効な間に大気中に温室効果ガスを排出し続けていたとしたら、ケイティ、ドアを閉めてください。SRM時代に排出された温室効果ガスは、太陽光が地球を再び温め始めると、温室効果ガスの増加による温室効果ガスの働きを倍増させます。しかも、対流圏の温室効果ガス濃度が上昇することで、その働きはさらに増幅されるのです。あっという間に温暖化が進むのです。
しかし、カリフォルニア大学サンタバーバラ校のチェン・シン氏とバージニア大学およびコロラド州立大学のアントニオス・ママラキス氏が今月開催されたAGU23での講演で懸念を抱かせていたのは、既によく知られている影響とは異なっていた。彼らの洞察は、「意図せぬ結果」という、あまりにもお馴染みの悲痛なテーマに分類してもいいかもしれない。
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シン氏は、MCBがエルニーニョ南方振動（エルニーニョ、あるいはより正確な略称であるENSOと呼ばれることが多い）に与える影響を分析した研究について講演した。この自然の気候サイクルの影響は、貿易風が太平洋の暖かい海水をアメリカ大陸西海岸に向けて東に押し出すエルニーニョ現象と、その後反転して暖かい海水をアジアに向けて東に押し出すラニーニャ現象を引き起こすことなどが挙げられる。
ENSOの影響は、ニーニョ現象とニーニャ現象のどちらが優勢かによって東太平洋と西太平洋の両方で天候や漁獲量に大きな影響を与えるという、局所的な影響にとどまりません。しかし、より重要なのは、地球規模の気候や気象現象への影響です。太平洋は広大であり、世界の気候への影響も甚大です。ENSOのサイクルが停止した場合、その影響は同様に甚大なものとなるでしょう。
そして、まさにこれが、MCBが承認された場合に起こり得るとXing氏のモデル化と分析が警告している通りです。2つの主要なSRM技術がENSOに及ぼすと予想される影響を探るため、彼女はSAIとMCBの両方をモデル化しました。
SAI をモデル化するために、彼女は広く受け入れられている ARISE-SAI-1.5 シミュレーションを使用しました。このシミュレーションは、GHG が一般に「中道」レベル (頭文字が好きな人向けに SSP2-4.5 と呼びます) で増加し続けたとしても、気温を産業革命以前のレベルより 1.5°C 上昇というよく言われる目標に維持するために必要な SAI 注入の量と場所を調整します。
MCBがENSOに与える影響を測定するにあたり、彼女は一般的に認められているニーニョ3.4指数を使用しました。これは、エルニーニョ現象とラニーニャ現象を定義するために海面水温を追跡する指数です。その後、彼女はSAIで使用したのと基本的に同じ、米国大気研究センター（NCAR）が開発したコミュニティ地球システムモデル2（CESM2）システムを用いて、この指数に対するMCBの将来的な影響をモデル化しました。
Xingのモデル化は、2つの注目すべき結果をもたらしました。第一に、MCBは確かに熱源となる太陽放射を迅速かつ大幅に減少させますが、その効果はSAIよりも早く消失します。基本的に、MCBは当初はより多くの冷却効果をもたらしますが、その後は、より低い気温レベルから始まるものの、その効果は「中道」のSSP2-4.5上昇と基本的に同様の軌跡を描きます。一方、SAIシナリオでは、SSP2-4.5で温室効果ガスが増加しても気温は比較的一定に保たれ、MCBとSAIの交差は、導入から約20年後に発生します。
MCBの2つ目の影響は、より深刻なものかもしれない。MCBはENSOを抑制するのに対し、SAIは抑制しない。さらに、MCBのENSO抑制効果は、気温上昇抑制効果のように消えることはない。MCBの影響下では、気温は温室効果ガスとともに上昇するが、ENSOはすぐに抑制され、その後も抑制されたままである。
この変動の理由は複雑ですが、基本的にはMCBがENSOサイクルを生み出す大気と海洋のフィードバックを抑制していることに起因しています。具体的には、対流の減少や海洋のサーモクライン（深層・低温層と浅層・高温層の間の温度境界）の深化などが挙げられます。MCBの影響下では、ENSOは「永続的なラニーニャ」とも言える状態に陥るでしょう。
さらに頭痛
MCB問題をさらに厄介なものにしているのは、AGU23で講演したNCARのジャック・チェン氏とプリンストン大学のシンディ・ワン氏が行ったモデリングで、いくつかの追加の注意点が指摘されたことです。チェン氏の研究は、シン氏らが特定したMCBの注入が、インドネシアやオーストラリア北部など一部の地域では地球温暖化を実際に促進する可能性があることを示唆しています。ワン氏の研究では、南極海で風速が大幅に低下していること、そして日本東岸沖と北米と英国間では、風速は小さいながらも顕著な低下が見られることが示されています。
シン氏はMCBとSAI、そしてそれらが地球規模の気候要因の一つであるENSO（極めて重要な要因ではあるものの）に与える影響を比較したのに対し、アントニオス・ママラキス氏はSAIに特に焦点を当てました。しかし、彼は分析範囲をより広範囲に広げ、地球規模の影響にまで広げました。
地球物理学研究レターズ誌に最近掲載された論文で詳述されている彼の研究は、単純ながらも微妙な疑問に答えることに焦点を当てていた。AGU23で彼が述べたように、「SAIの気候は、展開前の気候とどの程度区別できるだろうか？」。「would（だろう）」ではなく「will（するだろう）」という言葉の使い方には異論もあるかもしれないが、これは良い、いや、むしろ極めて重要な疑問と言えるだろう。
簡単に言えば、温室効果ガスの排出量が同程度増加した場合、SAIの影響を受ける気候は、SAIのない気候よりも単純に寒冷化するだけではないかもしれません。降水量、干ばつ、風など、様々な面で異なる可能性があります。成層圏に硫酸エアロゾルを注入する前に、SAIの影響を受ける世界とSAIのない世界で、これらの変化がどれほど区別できるのかをある程度把握しておくとよいでしょう。
気候学の用語学者の間で広く受け入れられている専門用語を使うと、「まあ、当然のこと...」
ママラキス氏と彼のチームは、調査を遂行するために、「説明可能な人工知能」（XAI）をベースに構築された独自のツールを使用しました。これは、彼が「新しい方法…必ずしも優れているわけではないが、新しい方法」と表現した分析手法です。（科学的手法に不可欠な謙虚さについては、多くのことが語られていますね。）
さらに深く
彼のXAIシステムは、全球基準気候（古き良きSSP2-4.5）をシミュレートしたモデルと、ARISE-SAI-1.5でシミュレートされたSAI影響モデルの両方からのデータを入力するニューラルネットワークで構成されていました。目標は、ネットワークがデータが基準気候由来かSAI気候由来かを区別できるように学習させることでした。学習フェーズの後に重要になったのは、XAIに問い合わせて、局所的、全球的、あるいはそれらの組み合わせを問わず、様々なシグナルがSAI導入前と導入なしの気候の基準モデルとどのように区別できるかを判断できるようにすることでした。言い換えれば、「SAI導入前の気候と、SAI導入前の気候、そしてSSP2-4.5で予測される速度で温暖化が進行する現在の気候と、SAI導入前の気候と、どの程度区別できるか」ということです。
ママラキス氏の説明によると、この手法によりXAIは「展開前とSAIの影響を受けた気候を区別できる、確固とした変化のパターン」を見つけ出すことができた。信号が「基準気候」（つまりSAIが使用された期間、あるいは使用されなかった期間以前の気候）から区別できるほど、その差異は大きくなった。展開前とSAIの影響を受けた気候の差異が基準気候から区別できるほど、SAIの注入による気候変動の減速効果は高くなり、基準気候との差異が区別できないほど、成層圏に大量の硫酸塩を噴射する効果は低くなる。
結果は興味深いものでした。SAIの影響を受けた未来では、地球温暖化の影響の一部は増大する一方で、他の影響は抑制されるでしょう。しかし、科学者であり、マーケターでも政治家でもないママラキス氏は、XAIの観測結果は必ずしも確固たるものではないとすぐに指摘しました。SSP2-4.5の予測は85%の確率であるのに対し、SAIの予測は世界全体で約58%の確率です。ただし、「世界全体」という言葉は重要です。一部の地域では、SAIの確率の方が高かったのです。
効果はほとんどない
ママラキス氏と彼のチームは、XAIにSAIの有無による20種類以上の気候変数を調べさせ、それぞれを基準モデルと比較させました。いくつかの変数は基準期間と実質的に区別がつかないほど類似していました。例えば、海洋熱量と海洋酸性度は、SSP2-4.5予測とSAI予測の間で高い相関関係を示しており、SAIの注入はほとんど影響を与えなかったことを示しています。
おそらくより興味深いのは、SSP2-4.5が予測する「中道的」な地球温暖化と、SAIの影響を受けた未来との間に乖離を示したXAIデータでした。これらのケースでは、2つのシナリオの将来への影響は、干ばつの頻度と深刻度、陸域と海域の両方における降水量、そして北極の氷の面積において、非常に明確に区別できます。他の気候科学は、これらの変化が気候変動によって増幅されることを示唆していますが、ママラキス氏の研究は、これらの変化がSAIによって緩和されることを示唆しています。
あの山火事は残念だ。化石燃料大手を許してやるしかないのか？
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また、SAI導入後の未来と非導入後の未来の差異の一部が地域性を持つ点も興味深い点でした。SAI導入後の未来において、地球全体の気温は参照モデルの気温にかなり近い水準に維持されますが、その寒冷化は地球全体で一貫したものではありません。例えば、北大西洋の年間平均気温は大幅に低下し、南半球の中緯度地域では最高気温が低下します（アルゼンチンやオーストラリア東部を想像してみてください）。さらに、SAIが組み込まれた未来では、年間降水量と干ばつの期間は地球全体で現在とそれほど変わりませんが、アマゾンや熱帯アフリカでは地域的な乾燥化が進むでしょう。
シン氏、ママラキス氏、そして彼らの同僚たちの研究が示しているのは、地球工学、特に彼らの場合は海洋雲増光と成層圏エアロゾル注入が、クリーンエネルギーへの移行期における地球温暖化の抑制に期待が寄せられているものの、そのようなあらゆる形態の調整が地域に及ぼす影響については、まだ多くのことが解明されていないということです。地球温暖化によって引き起こされる気候変動に対応して地球の気候システムを微調整することは、「厄介な問題」と呼ばれるものの典型的な例です。つまり、言葉で表現するのが難しく、単純な方法や明確な解決策がない問題です。地球温暖化の緩和と適応は、非常に複雑なプロセスであり、「これを実行すればすべてうまくいく」という単純なものではありません。
幸いなことに、Xing氏、Mamalakis氏らの研究は、地球工学を研究する多くの気候科学者が世界中で行っている研究のほんの一部に過ぎません。その研究の規模は歓迎すべきものです。人類が太陽放射管理を通じて気候変動を逆転させようとするような、極端な道を歩み始める前に、まだ学ぶべきことがたくさんあるからです。そもそも実際にそれが実現するかどうかは別として。
とはいえ、地球温暖化、気候変動、地球工学、その他の問題に焦点を当てたAGU23セッションのすべてにおいて、約50年前のマーガリンのCMで要約された「母なる自然を欺くのは良くないこと」という反論の余地のない事実が思い浮かびました。®
ブートノート
レジスター紙の記者である私は、あらゆる気候科学の頭字語の猛攻撃から身を守ってきたつもりでしたが、ARISE-SAIという、いわゆる「成層圏エアロゾル注入による太陽気候介入の地球システムへの反応と影響の評価」という、難解な表現に悩まされる事態に陥りました。ここに無条件降伏いたします。
