ティファニー・ショー教授（シカゴ大学地球科学科教授）
南半球は非常に荒れ狂う場所です。緯度によって風向は異なり、「轟く40度」「猛烈な50度」「叫び声のような60度」などと表現されます。波の高さはなんと78フィート（24メートル）にも達します。
ご存知の通り、北半球には南半球の激しい嵐、風、波に匹敵するものは何もありません。なぜでしょうか？
米国科学アカデミー紀要に発表された新しい研究で、私と私の同僚は、嵐が北半球よりも南半球でより頻繁に発生する理由を明らかにしました。
観測、理論、気候モデルからのさまざまな証拠を組み合わせた私たちの結果は、地球規模の海洋「コンベアベルト」と北​​半球の大きな山々の基本的な役割を示しています。
また、時間の経過とともに、南半球の嵐はより激しくなったのに対し、北半球の嵐はそれほど強くならなかったことも示しています。これは、地球温暖化の気候モデルによるモデリングと一致しています。
こうした変化が重要なのは、より強い嵐が、極端な風、気温、降雨など、より深刻な影響をもたらす可能性があることがわかっているからです。
地球上の気象観測は長い間、ほとんどが陸上から行われていました。これにより、科学者たちは北半球の嵐の様子を鮮明に把握することができました。しかし、陸地の約20%を占める南半球では、1970年代後半に衛星観測が可能になるまで、嵐の様子を鮮明に把握することはできませんでした。
衛星時代の始まり以来の数十年にわたる観測から、南半球の嵐は北半球の嵐よりも約 24 パーセント強いことがわかっています。
これは以下の地図に示されています。この地図は、1980年から2018年までの南半球（上）、北半球（中央）、およびそれらの差（下）で観測された年間平均嵐の強度を示しています。（最初の地図と最後の地図の比較では、南極が上部にあることに注意してください。）
この地図は、南半球の南極海における嵐の持続的な強度の高さと、北半球の太平洋と大西洋（オレンジ色の網掛け部分）における嵐の集中を示しています。差分マップは、ほとんどの緯度において、南半球の嵐が北半球（オレンジ色の網掛け部分）よりも強いことを示しています。
さまざまな理論があるものの、両半球間の嵐の違いについて明確な説明をしている人はいません。
その理由を解明するのは困難な作業に思えます。大気のように数千キロメートルに及ぶ複雑なシステムを、どのように理解すればよいのでしょうか？地球を瓶に入れて研究することはできません。しかし、気候物理学を研究する科学者たちはまさにそれを行っています。物理法則を応用し、地球の大気と気候を理解するために活用しているのです。
このアプローチの最も有名な例は、2021年のノーベル物理学賞を「地球温暖化の確実な予測」により受賞した真鍋秀郎博士の先駆的な研究です。その予測は、地球の気候の物理モデルに基づいており、最も単純な1次元温度モデルから本格的な3次元モデルまで、多岐にわたります。大気中の二酸化炭素濃度の上昇に対する気候の応答を、物理的複雑さの異なる様々なモデルを用いて研究し、根底にある物理現象から生じる新たなシグナルを監視しています。
南半球における嵐の理解を深めるため、物理学に基づく気候モデルのデータを含む、複数の証拠を収集しました。第一段階として、地球全体におけるエネルギーの分布という観点から観測データを解析します。
地球は球体であるため、太陽からの太陽光線を地表が受ける量は不均一です。エネルギーの大部分は、太陽光線がより直接的に地表に当たる赤道で吸収されます。一方、極では光が急角度で当たるため、受けるエネルギーは少なくなります。
数十年にわたる研究により、嵐の強さはこのエネルギー差から生まれることが示されています。本質的には、嵐はこの差に蓄えられた「静的」エネルギーを「運動」エネルギーに変換します。この遷移は「傾圧不安定性」と呼ばれるプロセスを通じて起こります。
この見解は、南半球と北半球で同じ量の太陽光が降り注ぐため、太陽光の入射量だけでは南半球で嵐の数が多いことを説明できないことを示唆しています。しかし、私たちの観測分析は、南北間の嵐の強度の違いは、2つの異なる要因によるものである可能性を示唆しています。
まず、海洋エネルギーの輸送、いわゆる「コンベアベルト」があります。水は北極付近で沈み、海底に沿って流れ、南極付近で上昇し、赤道に沿って北へ戻りながらエネルギーを運びます。その結果、南極から北極へエネルギーが輸送されます。これにより、南半球では赤道と極の間のエネルギーコントラストが北半球よりも大きくなり、南半球でより激しい嵐が発生します。
二つ目の要因は、真鍋氏の以前の研究が示唆しているように、北半球の大きな山脈が嵐を弱めることです。大きな山脈の上空を流れる気流は、高気圧と低気圧を一定に保ち、嵐に利用できるエネルギーを減少させます。
しかし、観測データの分析だけでは、これらの原因を確定することはできません。なぜなら、あまりにも多くの要因が同時に作用し、相互作用しているからです。また、個々の原因を除外してその重要性を検証することもできません。
そのためには、気候モデルを使用して、さまざまな要因が除去されたときに嵐がどのように変化するかを研究する必要があります。
シミュレーションで地球の山々を滑らかにすると、南半球と南半球の嵐の強度差は半分になりました。一方、海洋のコンベアベルトを除去すると、嵐の強度差の残り半分も消えました。こうして、南半球の嵐の具体的な説明が初めて明らかになりました。
嵐は、極端な風、気温、降水量など、深刻な社会的影響を伴うため、私たちが答えなければならない重要な質問は、将来の嵐がより強くなるか、より弱くなるかということです。
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気候変動の影響に対処するための社会の備えとして重要なツールは、気候モデルに基づく予測の提供です。新たな研究によると、南半球の平均的な嵐は今世紀末に向けてより激化すると予想されています。
一方、北半球における嵐の年間平均強度の変化は緩やかになると予測されています。これは、嵐を強くする熱帯地方の温暖化と、嵐を弱める北極地方の急速な温暖化という、季節的な影響が競合していることが一因です。
しかし、今、ここの気候は変化しています。過去数十年の変化を振り返ると、南半球では年間を通して平均的な嵐の激しさが増しているのに対し、北半球では変化がほとんど見られず、これは同時期の気候モデル予測と一致しています。
モデルはシグナルを過小評価しているものの、同じ物理的理由による変化を示している。つまり、海洋の変化は嵐を増加させる。暖かい水が赤道に向かって移動し、それと入れ替わるように冷たい水が南極周辺の表層に運ばれ、赤道と極の間のコントラストが強まるためである。
北半球では、海洋の変化は海氷と雪の減少によって相殺され、北極がより多くの太陽光を吸収し、赤道と極の間のコントラストが弱まります。
正しい答えを得ることの賭けは大きい。今後の研究では、モデルが観測信号を過小評価する理由を明らかにすることが重要となるが、正しい物理的根拠に基づいて正しい答えを得ることも同様に重要である。
Xiao, T. et al. (2022) 地形と海洋循環による南半球の嵐、米国科学アカデミー紀要、doi: 10.1073/pnas.2123512119
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