地球の気候史、すなわち古気候を通じて、気候は主として温室地球（おんしつちきゅう、Greenhouse Earth）と氷室地球（ひょうしつちきゅう、Icehouse Earth）という二つの状態の間を変動してきた。両状態は数百万年にわたって続くものであり、氷室期、すなわち氷河時代の内部で交互に現れ、たいてい百万年未満で終わる氷期と間氷期とは区別しなければならない。地球史には、ヒューロニアン氷期、クライオジェニアンの氷期、、、白亜紀の氷室期、およびがあった。
古気候を変える主な要因は、二酸化炭素（）や、より小さい寄与としての（）など大気中の温室効果ガス濃度、の変化、太陽定数の長期変動、さらにプレートテクトニクスに伴う海洋と造山の変化だと考えられている。温室地球期と氷室地球期は、さまざまな空間規模で生物の適応と交代を直接、間接に強いることで、地球上の生命の進化に重要な役割を果たした。
温室地球 温室地球とは、地球上のどこにも大陸氷河が存在しない期間である。また、二酸化炭素、メタン、水蒸気などの温室効果ガス濃度が高く、海面水温は熱帯で約28 °C、極地で約0 °Cとなる。地球はその歴史のおよそ85%を温室地球状態で過ごした。
これは、金星で進行したとされる不可逆の暴走温室効果、すなわち気候転換点とは混同してはならない。IPCCは、人為活動が金星に類する暴走温室効果を引き起こす可能性は実質的にないとしている。
原因 温室地球がどのように生じるかについては複数の説がある。地質学的な気候指標は、温室地球状態と高いCO2濃度との強い相関を示す。ただしCO2濃度の高さは、独立した原因というより地球気候へのフィードバックとして解釈されてきた面もある。現在では、CO2と気候変動の双方を動かす地質学的要因も確認されている。
大気と海洋の循環を変えたり、大気が吸収する正味の太陽放射を増やしたりする現象も、地球規模の気候に大きく作用した可能性が高い。例として、火山活動を通じCO2やCH4を放出する構造運動がある。火山は活発な時に大量の二酸化炭素とメタンを放出し、温室効果を通じて熱を閉じ込める。温室地球ではCO2やCH4などの温室効果ガス濃度が高く、温室効果によって太陽エネルギーが大気中に閉じ込められる。天然ガスの主成分であるメタンは、現在の地球温暖化の三分の一超に関与する。大気へ放出された後20年間の地球温暖化係数はCO2のおよそ80倍だが、大気中の半減期は10年から20年ほどと短い。
太陽定数の増加は大気が吸収する正味の太陽エネルギーを増加させる。また地球の地軸の傾きと軌道離心率の変化も、吸収される正味の太陽放射を変える。
氷室地球
現在の地球は氷室地球状態にあり、両極に同時に氷床が存在する。気候指標は、氷室地球では温室効果ガス濃度が低下する傾向を示す。全球平均気温も低い。その内部では氷期と間氷期が交互に現れ、大陸氷床の大きさと分布は大幅に変動する。氷床の変動は地域気候を変え、陸上と海洋の多くの種の分布域と分布を左右する。
数千年から数億年の時間尺度でみると、地球の気候は生命を支えられる範囲で温暖な時期と寒冷な時期を移り変わってきた。顕生代には、オルドビス紀、石炭紀、新生代の三つの氷期があり、各期は数千万年続き、中緯度で氷が海面まで達した。このような寒冷な氷室期には、概して海水準、大気CO2濃度、正味の光合成、炭素埋没、海洋火山活動はいずれも温室期より低かった。顕生代の氷室期から温室期への転換は、生物相の危機または破局的絶滅と重なり、生物圏と水圏の複雑なフィードバックを示している。
氷期と間氷期は、太陽活動と気候の振動に従って交互に現れ、最終的には地球が温室地球状態へ戻るまで続く傾向がある。現在の氷室状態はと呼ばれ、およそ258万年前に始まった。ただし南極には約3400万年前から氷床が存在する。現在はおよそ1万1800年前に始まった温和な間氷期にある。地球は今後、13万年前から11万5000年前まで続いたのような別の間氷期へ移る可能性がある。この時期にはノルウェーのノールカップに森林があり、ライン川とテムズ川にはカバが生息していた証拠がある。第四紀氷河時代が終わるまで氷期と間氷期の交替は続き、その後、地球は再び温室地球状態へ入ると考えられる。
原因 低い濃度と氷室地球状態には強い相関があることが確立している。地質学的なCO2供給源、風化、炭素埋没の釣り合いは、温室気候と氷室気候の長期的転換に関与する。海洋の炭素貯蔵の変化も、第四紀のCO2と気候変動の大部分を動かす上で明確な役割を果たした。一方で太陽、軌道、プレートテクトニクスによる強制力も気候と全球炭素循環へ作用する。
過去の氷室状態を動かした候補には、プレート移動と海洋の海峡の開閉がある。構造運動で冷たい深層水が海面へ循環しやすくなり、極域での氷床発達を助けたと考えられる。例として、約3650万年前にオーストラリアと南極を分離した、約3280万年前に南アメリカと南極の分離で開いたドレーク海峡がある。どちらも南極氷床の発達を可能にしたと考えられている。約300万年から400万年前のパナマ地峡との閉鎖も、現在の氷室状態に寄与した可能性がある。
オルドビス紀氷期の原因としては陸上植物の進化も提案されている。この見方では、光合成を行うバイオマスの急増が大気からを継続的に除去し、酸素を増やして全球寒冷化を誘発した。
第四紀氷河時代の原因候補は、インド亜大陸とユーラシアの衝突によるヒマラヤ山脈とチベット高原の形成である。この見方では、結果として起きた大陸隆起によって未風化のケイ酸塩岩が大量に露出し、がと反応してとを生じた。炭酸カルシウムは海へ運ばれ、プランクトンに取り込まれた後、死んで海底へ沈むため、大気からCO2が実質的に除去される。
氷期と間氷期
氷室状態の内部には、氷床が成長または後退する氷期と間氷期がある。氷室期の時間のうち、温暖な間氷期が占めるのは約20%にすぎない。CO2排出のため、現在の間氷期的気候は、北半球の完全なを含め、少なくともさらに10万年は続くとのモデル計算がある。
氷期と間氷期の主因は、地球が太陽の周囲を運動する仕方の変動である。セルビアの地球物理学者ミルティン・ミランコビッチが見いだした天文学的要素は、現在ミランコビッチ・サイクルとして知られる。これには地球の地軸の傾き、軌道の形を表す離心率、地球自転の首振りである歳差運動が含まれる。地軸傾斜角は約4万1000年ごとに21.5°から24.5°の範囲を往復する。この変化は特に季節性へ影響する。傾斜が大きい時は太陽放射が特定地域へより多く届き、傾斜が小さい時は季節の差が世界全体でより均される。氷床コアには、氷床が最大に広がった氷期には大気CO2濃度が低かった証拠もある。これは海洋循環、生物生産性、酸塩基化学の変化による可能性がある。
スノーボールアース
スノーボールアースは、地表が完全に凍結した状態であり、温室地球の対極である。ただし厳密には、氷室状態でいう大陸氷床とは異なる。「前カンブリア紀大氷期」は、このような世界であったと主張されてきた。1964年、は低緯度の氷河の証拠を報告した。これは、一度スノーボールアースへ向かい始めれば永久にそこから出られないという「暴走スノーボールの逆説」、すなわち一種のを生むように思われた。
1992年に地質学者は、この逆説と、地球がスノーボール状態に入る仕組みと出る仕組みを説明した。当時、大陸が低緯度から中緯度に集まっていたなら、熱帯に降り注ぐ太陽エネルギーを吸収できる海水は少なかった。また、より強い日射にさらされる陸地が増えたことで降雨と化学風化が増し、大気中のCO2が除去された可能性がある。この二つはCO2濃度を大幅に下げ、気温低下と氷のアルベド、すなわち入射する太陽放射に対する氷の反射率の増加をもたらし、さらに全球寒冷化を強める正のフィードバックとなりうる。これがスノーボールアース状態へ入る機構だった可能性がある。
スノーボール状態から抜け出す鍵も二酸化炭素と結び付く。スノーボールアースでも火山活動は止まらず、大気中CO2を蓄積し続ける。他方、全球的な氷の被覆は、CO2を大気から除く加水分解などの化学風化を止める。このためCO2が蓄積し、閾値へ達すると気温が上がって氷が融け始める。氷のアルベド効果が弱まり、氷の面積もさらに減少する。火山活動と化学風化の釣り合いが回復する前にはCO2が十分に高まり、一時的な湿潤温室地球状態へ入り、気温は最大60 °Cに達した可能性がある。
スノーボールアースとほぼ同じ地質時代には大酸化イベントが生じたが、これがスノーボールアースの原因だったのか結果だったのかについては議論がある。その後にカンブリア爆発が起き、多数の左右相称動物が現れたほか、多細胞生物の多様性と移動性も増した。光合成生物は何メートルもの氷の下で日光なしには生き残れないため、完全なスノーボールアースは起こり得なかったと考える生物学者もいる。ただし南極では日光が数メートルの氷を透過することが観察されている。現在では、地表が完全に氷で覆われる「ハード・スノーボールアース」はおそらく不可能だと考える科学者が多い。一方、赤道近くに開水面が残る「スラッシュボールアース」は可能だと考えられている。
近年の研究は、スノーボールアース像を再び複雑にしている可能性がある。2011年10月、フランスの研究チームは、最後のスノーボールアースと推定される時期の二酸化炭素濃度が従来の想定より低かったと発表した。この結果は、地球がどのようにその状態から脱したのか、また実際に生じたのがスノーボールアースだったのかスラッシュボールアースだったのかを解明する上で新たな課題となる。
転換 原因 始新世は5600万年前から3390万年前に当たり、地球が過去1億年間で最も温暖だった時期であった。しかし超温室期は、始新世後期には氷室期へ移った。CO2の低下が転換を引き起こしたと考えられるが、ポジティブフィードバック機構も寒冷化に寄与した可能性がある。
植物が存在した氷室期から温室期への転換で最も良い記録は、およそ3億年前のペルム紀にある。その後の4000万年に大転換が起こり、熱帯を熱帯雨林が覆う湿潤で氷に覆われた惑星から、ほとんど生存できない暑く乾燥して風の強い惑星へ変わった。この時期を研究したカリフォルニア大学デービス校のは、気候が「非常に不安定」で、「二酸化炭素の低下と上昇を特徴とする」と述べた。
影響 始新世から漸新世への転換は最新の大規模転換で、およそ3400万年前に起きた。急速な全球寒冷化、南極の氷河化、一連の生物絶滅をもたらした。この時期に結び付く最も劇的な種の交代はであり、ヨーロッパの樹上性、葉食性哺乳類がアジアから移動してきた種に置き換えられた。
研究 古気候学は、地質時代を通じた温室地球条件と氷室地球条件の歴史を理解しようとする科学分野である。氷床コア、年輪年代学、海洋と湖沼の堆積物、年縞、花粉学、古植物学、同位体分析、放射年代測定、安定同位体分析、その他のを調べることで、科学者は過去の地球のエネルギー収支と、その結果生じた気候のモデルを作れる。
一つの研究は、ペルム紀の大気中CO2が今日に近い250 ppmから2000 ppmまで上下していたことを示した。湖沼堆積物の研究は、深海の10 °Cの温暖化と高緯度の表面水温上昇が太平洋のエルニーニョ・南方振動を止めた後、温室または超温室の始新世が恒久的なエルニーニョ状態にあったと示唆する。暁新世-始新世温暖化極大については、全球の無機炭素プールの炭素同位体組成が急に2.5 ppm低下したことを説明する理論が提案されている。この同位体低下の原因候補はメタンハイドレートの増加であり、その引き金は未解明である。強力だが短命の温室効果ガスである大気メタンの増加は、より弱い二酸化炭素の作用も受けて全球気温を6 °C上げた可能性がある。
氷室期と温室期の一覧 温室期は46億年前から24億年前まで続いた。 ヒューロニアン氷期は24億年前から21億年前まで続いた氷室期である。 温室期は21億年前から7億2000万年前まで続いた。 クライオジェニアンは7億2000万年前から6億3500万年前まで続き、全地球が時に凍結した氷室期である。 温室期は6億3500万年前から4億5000万年前まで続いた。 は4億5000万年前から4億2000万年前まで続いた氷室期である。 温室期は4億2000万年前から3億6000万年前まで続いた。 は3億6000万年前から2億6000万年前まで続いた氷室期である。 温室期は2億6000万年前から1億4600万年前まで続いた。 前期白亜紀氷室期は1億4600万年前から1億1300万年前まで続いた氷室期である。 は3390万年前に始まり、現在まで続く氷室期である。
現代の条件 現在、地球は氷室気候状態にある。およそ3400万年前に南極で氷床が形成され始め、北極の氷床形成は約200万年前まで始まらなかった。現在の氷室期へ至った過程の一部は、ヒマラヤ山脈の発達と南アメリカと南極の間におけるドレーク海峡の開口と結び付く可能性がある。しかし気候モデルは、ドレーク海峡の初期開口の影響は小さく、後のテチス海との狭窄の方が、新生代の観測された寒冷化を説明する上で重要だと示している。科学者は過去の氷室から温室、温室から氷室への転換を比較し、地球が次にどの気候状態へ至るかを理解しようとしてきた。
人間が温室効果ガス濃度へ影響を及ぼさなければ、次の気候状態は氷期となる。軌道強制力の予測では、人為的な地球温暖化がなければ次の氷期は少なくとも5万年後に始まる。しかし現在進行中の人為的温室効果ガス排出により、次の気候状態は温室地球期となる。恒久的な氷は地球史では実際には稀で、地球史のおよそ20%に作用した氷室効果と一致する時にのみ生じる。
関連項目
脚注