近代小氷期と太陽活動 ( その他自然科学 ) - EARTH, OCEAN, and LIFE

「近代」は寒かった...

【A】（読者Ａ）　今日からいよいよ近代の話だね。
【B】（ブログ管理人）　14世紀頃から20世紀初頭を、近世～近代と呼ぶんだけど、
　　とにかく寒い時代だったようだね。
【A】確かにその時代が寒かったっていうのは聞いたことがある。
　　ロンドンのテムズ川が凍っていたとか、ベネチアの運河が凍っていたとか...
【B】農産物の収穫具合や、春の花の開花時期とか、異常な降雪なんかの記録が
　　歴史文献に残っていて、やはり当時は本当に寒かったらしい。
　　ヨーロッパではこの時代、数十年間も続く異常な寒冷期が何回も発生したんだ。
　　それを「小氷期」というんだけどね。
【A】日本だと飢饉が多かった江戸時代がそう？
【B】まさにそうだね。

昔の気候はどうやって推定するの？

【A】ところで、寒かったっていうけど、実際何度ぐらいだったの？　
　　昔は温度計なんてなかったと思うけど...。
【B】西洋で温度計で温度が系統的に記録され始めたのは1850年頃からで、こんな感じ。
　　確かに今より１度以上寒かったようだね。
イメージ 1

（Wikipediaより）

　　それ以前の温度の観測記録はないけど、昔の太陽の活動を示すこんなデータがあるんだ。
　　（黒線が太陽の活動変動指標。赤線が黒点変動）
イメージ 2

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（米国地質調査所より）
【A】なるほど。確かに14世紀以降に太陽活動が落ち込んでいる時期がいくつもあるね。
　　でも、どうやって過去の太陽の活動が分かったの？
【B】「年輪」で分かるんだよ。
【A】年輪って、木の？
【B】そう。
【A】年輪で木の樹齢はわかるけど、太陽の活動までわかるの？
　　気候が温暖なら木もよく成長するから年輪の間隔が広くなるとか...？
【B】そう、年輪の間隔も大事なんだけど、年輪一枚一枚から直接当時の太陽活動が分かるんだよ。
【A】どうやって？
【B】年輪ごとに炭素の同位体を測るんだよ。
【A】炭素の同位体...　あ～、炭素13とか炭素14とかいうやつ？
【B】そうそう。炭素14（C14：注１）を測るんだよ。こんなふうにくりぬいてね。

（Wikipediaより）

炭素同位体年代とは？

【A】あー、それでグラフの縦軸がC14になってるんだ...。（注：Δ14Cは長期ﾄﾚﾝﾄﾞに対する偏差）
　　C14って確か、放射性同位体だったよね？　考古学で遺跡の木片の年代を決めたりとか...
【B】そうそう。安定同位体のC12やC13と違って、C14は不安定な放射性同位体なので、
　　どんどん崩壊して5,730年で半分に減るんだ。
【A】それを半減期っていうんだよね。
【B】そう。残留している微量なC14濃度（C12に対する存在比）を測る。
　　それを半減率のペースに従って逆算して、元々の大気中のC14濃度に戻した時が、
　　まさに光合成をした時なので、植物の年代決定ができるというわけさ。（注２）
【A】なるほど。じゃあ、年輪の一枚一枚のC14濃度を測れば年代が分かるんだろうけど、
　　その前に年輪を数えたら年代は分かっちゃうんじゃないの？
【B】そうなんだけど、知りたいのは年輪とC14濃度との微妙なずれなんだよ。
【A】あっそうか、知りたいのは年代じゃなくて太陽活動だった...。
　　で、どうして太陽活動が分かるんだろう？

年輪から太陽活動を解読する

【B】「残留C14濃度」と「大気中のC14濃度」の差から年代が算出できるって言ったけど、
　　実は、大気中のC14濃度は一定じゃなくて、時間とともに変動しているんだ。（注３）
【A】ふーん。ってことは、植物は濃度が変化する大気中のC14を取り込んでるわけだから...
　　年輪一枚一枚のC14濃度は微妙に変動している...？
【B】そう。年輪は大気中のC14濃度変化を記録してるんだ。
【A】で、大気中のC14濃度が一定じゃないのはなぜ？
【B】宇宙線の強度が変わると大気中のC14濃度が変わるんだ。
【A】えっ、どういうこと？
【B】そもそもC14は、太陽系外からくる宇宙線（中性子）を浴びた窒素が
　　成層圏で原子核反応を起こすことによって作られるんだ。
　　そのあと、C14は対流圏で酸素と結合してCO2になって大気中に拡散するんだ。
【A】そしてそのCO2を光合成で植物が吸収する？
【B】そう。そして植物が固定してからC14は崩壊を始めて窒素14に戻っていくんだ。
【A】なるほど。じゃあ、宇宙線の強度が変わるのはなぜ？
【B】太陽風だね。太陽風(電磁波)が強いと、地球に降り注ぐ宇宙線を蹴散らす効果があるんだ。
　　太陽活動が激しい時は太陽風が強くなる。（注４）
【A】分かった！　太陽が活発な時は地球に届く宇宙線が減って、大気中のC14は減る。
　　だから年輪のC14濃度から太陽活動が分かるんだ！
【B】その通り。年輪１枚１枚のC14濃度を調べて、その変動を見れば、
　当時の太陽の活動度が分かって、それを温度に換算することもできるんだ。
　樹齢数千年の年輪を使えば、上のグラフのように、
　数千年にわたる太陽活動の強弱の変化の様子を復元することができるというわけ。
【A】やっと分かったよ。で、その測定は難しいの？
【B】結構めんどうな分析らしい。
　1980年代に入ってから質量分析計という機械を使って年輪のC14が測定されるようになったんだ。
　質量分析法だと１回の分析に数10グラム必要で結構大変だったんだけど、
　最近は最新鋭の加速器（注５）を使って数mgの試料で測定ができるようになったんだ。
　だから、上の図のようにくり抜いた試料で十分。
【A】なるほどねえ。木の切り株という地味な素材と地道な作業、そして、
　　原子核物理や最新の分析技術が組み合わさって、気候変動が復元されるんだね。
【B】そう。だから、グラフを見て温暖化だ、寒冷化だ、と言う前に、
　　どうやってこのグラフができたのか考えてみることも大事だよね。

近代小氷期に起こった社会現象

【A】で、今日は「近代」は寒かったという話だったよね。
【B】あっ、そうそう。
　　上のグラフで読み取れるように、200年間隔で４回の寒冷期があったんだ。
　　13世紀のウォルフ極小期、15世紀のシュペーラー極小期、
　　17世紀のマウンダー極小期、そして19世紀のダルトン極小期。
　　「ペストの大流行」「魔女狩り」「大航海時代」「産業革命」など社会現象は
　　これらの寒冷期と符合するんだ。
【A】へぇー、面白そう。
【B】では、また次回！

　　注１）炭素14は炭素の放射性同位体。炭素の内の0.00000000012%を占め、
　　　　　原子核は6個の陽子と8個の中性子からなる。炭素の大部分（98.9%）を占める炭素12は
　　　　　6個の陽子と6個の中性子、1.1%を占める炭素13は6個の陽子と7個の中性子からなる。　　
　　　　　1940年2月27日にMartin KamenとSam Rubenによって発見された。
　　注２）炭素14濃度は大気圏内核実験による放射線の影響でも変動する。
　　　　　したがって、炭素14年代測定は核実験開始以前の1950年が起点となっている。
　　注３）大気中のC14濃度は一定ではなく変動するために、C14年代測定には誤差が生じる。
　　　　　暦年代との関係がはっきりしている木やサンゴの年輪のC14年代測定値を使って、
　　　　　C14年代を補正する方法が1990年代に入って欧米を中心に発達。
　　　　　この補正によりC14測定によって、実際の暦年代に極めて近い値が得られるため、
　　　　　この補正方法は「国際標準」として認められており、考古学等でも採用している。
　　注４）太陽は黒点活動が活発になると電磁波（太陽風）を多く放出し、
　　　　　電磁波は宇宙線を蹴散らすので、地球にふりそそぐ宇宙線が減る。
　　　　　宇宙線が減ると雲の発生が抑えられ、晴れの天気が多くなり、地球は温暖化する。
　　　　　逆に太陽黒点が減ると、ふりそそぐ宇宙線の量が増え、
　　　　　雲が増えて太陽光線がさえぎられ、地球は寒冷化する。
　　注５）加速器質量分析（ＡＭＳ法）はイオンを加速させて直接一個一個検出して
　　　　　同位体濃度を測定する。

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