地球は6000万年かけて冷えた——CO₂がどこへ消えたか、誰も知らなかった。今はわかった

6000万年にわたり、地球の大気は二酸化炭素を減らし続け、惑星は冷却した。科学者たちはその事実を知っていた。しかし、彼らが説明できなかったのは、CO₂が実際にどこへ消えたのかという点だ。「その炭素がどこに行き着いたのか、私たちは驚くほどほとんど理解していなかった」と、新たな研究の主著者であるオックスフォード大学のローズ・リカビーは語る。研究チームが突き止めた答えは、海底の下に埋もれていた——そこに運び込んだのは、海面とリンの循環に依存し、新生代を通じてゆっくりと惑星のサーモスタットとして機能した一連の海洋化学反応だった。

<p『米国科学アカデミー紀要』に掲載されたこの研究は、6000万年分の地質学的証拠——古代の海面、海洋の酸素濃度、リン酸塩の利用可能性、大陸棚堆積物における有機炭素の埋没速度——を再構築した。浮かび上がったのは、これまで個別に研究されてきたものの、単一のメカニズムとして統合されたことのなかった四つのシステムを結びつける、これまでに知られていなかったフィードバックループだった。

連鎖の仕組み

このサーモスタットは海面から始まる。海面が現在の水準より約10～40メートル高い——研究チームがシステムの「スイートスポット」と特定する範囲——にあるとき、大陸棚で特異な現象が起きる。有機物が分解されるにつれて、それらの浅い海域の酸素濃度が臨界値を下回り、炭素を豊富に含む棚堆積物が最も露出している場所に、酸素が枯渇した水域が生まれるのだ。

これらの低酸素状態は、リンに対して特定の作用を及ぼす。リン酸塩は通常、酸素の存在下で堆積物粒子に結合するが、酸素がなくなると、リン酸塩は水柱に放出される。このリサイクルされたリンが海洋藻類やその他のプランクトンの急増を促し、それらの成長が表層水から炭素を引き抜く。それらの生物が死んで沈むと、炭素を一緒に運ぶ。海底では、もともとリン放出を引き起こした低酸素条件下で、有機炭素は分解されずに埋没し——数百万年にわたって埋もれ続ける。

結果として生じるのは自己強化型のループだ。海面が舞台を整え、低酸素がリンを放出し、リンが海洋の生産性を高め、生産性が炭素を埋没させ、埋没した炭素が大気中のCO₂を減少させる。このパルスは、適切な海面条件が続く限り持続し——システムが再調整されるまで数百万年も続く可能性がある。

「共著者のクリスチャン・ビェルムは、20年前にコンピュータモデルで海面、海洋酸素、リン酸塩の関連性を研究していました」と、シラキュース大学のルー・ズンリは語る。「私たちはついに、この仮説を検証するために必要な地質学的記録を組み立てることができたのです。」

サーモスタットがオフになったとき

研究チームの記録は、このメカニズムが継続的に作動していたわけではないことを示している。約5600万年前から3400万年前までの始新世の間、海面はスイートスポットを超えるほど上昇した。そうなると、酸素最小層は有機物に富む大陸棚堆積物と重ならなくなる——フィードバックを機能させる二つの条件が揃わなくなるのだ。炭素埋没のパルスは弱まり、CO₂は引き下げられることなく大気中に留まった。地質学的基準で見れば、始新世は温暖な時期だった。現在のワイオミング州に熱帯林が広がり、北極圏以北でワニ類が生息するほど温暖だった。

このシステムの復帰——南極の氷河作用に関連した海面変化に結びついている——は、地球の歴史の最後の3400万年を特徴づける持続的な冷却と一致した。

「私たちの結果は、海洋堆積物における有機炭素の埋没促進が、これまで考えられていたよりもはるかに重要な役割を果たしたことを示唆しています」とリカビーは述べた。

これができないこと

このサーモスタットは数百万年単位の時間スケールで作動する。海面のトリガーからリン放出、炭素埋没、測定可能なCO₂減少に至る各サイクルは、完了するまでに数十万年を要する。産業革命以降に人類が大気中に加えたCO₂は、約200年で蓄積された。地質学的メカニズムはそのペースで応答することはできない。

構造的なミスマッチもある。現在の酸素最小層は、新生代のピーク時よりも深い位置にある。現代の大陸棚はより狭く、その貧酸素域は有機物に富む堆積物と相互作用するのに適した位置にない。6000万年にわたってサーモスタットを効率的に機能させた条件は、現在は整っていないのだ。

研究者たちはこの限界について明確に述べている。このシステムは、数千年かけて調整する気候を安定化させた。それは急速な炭素吸収源として設計されたわけではなく——また、そのように機能することはできない。

地球のCO₂サーモスタットに関するよくある質問

酸素最小層とは何か？それは、通常水深100～1000メートルに位置する海洋の層で、溶存酸素濃度が急激に低下する。海洋生物が有機物を分解する過程で、水循環が酸素を補充する前に、利用可能な酸素のほとんどを消費する。これらのゾーンでは、通常の化学反応が変化する。本来なら堆積物に結合したままになるリンが、水中に放出されるのだ。

これは海洋が直接CO₂を吸収するのとどう違うのか？直接的な海洋吸収は、CO₂を表面で溶かし、溶液中に保持する——炭素を恒久的に除去するわけではなく、海洋温度が変化すると可逆的である。この研究で説明されているメカニズムは、有機炭素を海底堆積物に物理的に埋没させ、人間の時間スケールではなく地質学的時間スケールで大気から隔離する。

このプロセスはかつて失敗したことがあるのか？始新世の例は、それが弱まりうることを示している。海面が高すぎる——スイートスポットを超える——と、酸素最小層が最も豊かな堆積物層に届かなくなるため、フィードバックループは壊れる。CO₂は高いまま維持され、惑星は温暖化する。メカニズムが再始動するのは、海面が適切な範囲に戻ったときだけである。

このプロセスを人為的に引き起こすことは可能か？この研究はジオエンジニアリングについては扱っていない。このフィードバックは、海面、酸素最小層の位置、大陸棚堆積物の分布に依存しており——これらは、現在の人類の技術では制御できない規模で作動する変数である。

今後の展望

この研究は、古気候学における古くからの謎の一つ——新生代における地球の炭素減少がなぜ滑らかではなかったのか——に対する直接的な調査の道を開く。地質学的記録は、温暖な間隔によって隔てられた冷却のパルスを示している。このパターンを、サーモスタットモデルは、海面の変動がシステムを有効範囲に出入りさせることによって説明する。

今日の気候科学にとって、この発見は、過去の温暖期が現在の温暖期と何が違うのかについて、さらなる具体性を加える。始新世はサーモスタットがオフだったために温暖だった。現在の温暖化は、サーモスタットが構造的な範囲内にあるにもかかわらず起きている——CO₂の追加速度が、地質学的応答を単純に上回ってしまったからだ。

参考文献: Rickaby et al., “Shelf-invading low-oxygen waters control Cenozoic organic carbon burial rates,” Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026. DOI: 10.1073/pnas.2526409123

タグ: climate, carbon burial, Cenozoic era, ocean chemistry, phosphorus, PNAS