１．はじめに
    近年の世界的関心事の一つは、エルニーニョや地球温暖化に代表される気候変動である。南米ペルー沖の海水温が上昇するというローカルな現象であったエルニーニョが、今や気候変動の代名詞のようになっており、これが起こると大気大循環が変わり世界中で気象の大きな変動が見られる。
    1997/1998年のエルニーニョは今世紀最大規模のものとなり、世界各地に旱ばつや豪雨をもたらしたのは記憶に新しい。北極域も例外ではなく、1997年夏季のベーリング海南部の水温は平年値より約５℃も高温であった（図１）。翌1998年のアラスカは、流氷が非常に早く後退するともに、6月中旬まで頻繁に低気圧が来襲する荒れ模様の春であった。また、動・植物プランクトン、海藻、魚類の生育と分布に異常が見られ、結果として食物連鎖の上位に位置する海鳥「みずなぎどり」が多数餓死する事態となった。このような生態系の異常を象徴する出来事が衛星画像から得られている。それは植物プランクトン円石藻（Cocolithophorid）の異常発生である（Hunt et al., 1999; 図２）。

ベーリング海での卓越種は珪藻であり、円石藻の大発生はこの海域での初めての報告であり、1997年、1998年と連続して生じた。原因は、エルニーニョに伴い水温が高かったためと考えられており、図２から円石藻が高水温のアラスカ沿岸流に乗って北上し、ベーリング海峡を越えて北極海へ流入している事が窺える。平年より高水温のベーリング海水の流入と同期して、ベーリング海峡北方の夏季の流氷縁が1997ｰ1999年の３年間、異常に後退している（図３）。

1997年以降、少なくとも北極海の太平洋側の海洋と流氷は大きな変化を示している。一方、海盆スケールで見ると、衛星観測データの解析から、１９７８年以降の北極海の海氷域面積は１０年当たり約３％の割り合いで減少している（Bjφrgo et al., 1997; Cavalieri et al., 1997）、また中央部の夏でも融けない多年氷域の面積は、１９７８年から１９９８年のかけての20年間で約14％減少した（Johannessen et al., 1999）；一方、SCICEXによる観測結果（米国の潜水艦による海氷観測；Rothrock et al., 1999）から、海氷の厚さは１９６０〜７０年代の値に比べ、１９９０年代のそれは平均で約４０％減少した（図４）、と言った報告が相継いで出されている。このように、北極海の海氷は、観測事実として減少している事が認知されるようになり、北極海研究者の間では「変わりつつある北極」がキーワードとなっいる。

２．北極海の地勢（図５）
    北極海の定義は幾つかあり、最も広義なものはグリーンランド-アイスランド-スコットランドを結ぶグリーンランド・スコットランド海嶺より北の海を指し、面積は14×10^６km^２で体積は17×10^６km^３である。この広義の北極海は、グリーンランドとスピッツベルゲンの間のフラム海峡（幅600km，最浅部は約2,600m）より南の、グリーンランド海・アイスランド海・ノルウェー海（まとめてGIN海と呼ばれる）と、海峡の北のいわゆる北極海に分けられる。ここでは、フラム海峡から北の狭い定義による北極海を用いる。そうすると北極海は、シベリア沿岸のバレンツ海・カラ海などの付属海を含み、面積は12×10^６km^２，体積13×10^６km^３である。北極海とGIN海は、前述のフラム海峡の他に、浅いバレンツ海（水深100-350m）を通じてつながっている。さらに、北大西洋とはカナダ多島海の幾つかの海峡、主に最浅部が250m以浅のナレス海峡 やスミス海峡、最浅部が130m以浅のランカスター海峡やバロー海峡によりバフィン湾を介してつながっている。一方、太平洋とは、幅85km、最浅部が45mのベーリング海峡によりつながっている。フラム海峡以外の海峡は水深が浅いので、北極海と南の海との水交換は主にフラム海峡で生じている。

３．北極海の特徴（図５、６）

1. -50℃にも達する非常に寒冷な気候である。
2. 周りを大陸に囲まれている（地中海である）。
3. 非常に広大な大陸棚が存在する。

   地形上の大きな特徴として、ユーラシア大陸沖の広大な大陸棚があげられる。それは、面積で北極海の1/3を占め、幅はバレンツ海で約1,000km，カラ海からチュクチ海にかけては600〜800kmに達する。アメリカ側の大陸棚は狭く、幅50〜90kmほどである。

4. 大量の河川水が流入する。

   北極海は地球上の海の面積の約３％、体積で約１％を占めているだけであるが、周りを取　　 り巻くユーラシア大陸の大河（オビ川、エニセイ川、レナ川など）と北アメリカ大陸の大河 （マッケンジー川）から流れ込む大量の河川水（地球の河川水の約10％）がここに流入し ている。この大量の河川水は北極海の表層水を低塩化し、その結氷温度を上昇させる（凍り やすい）。同時に、表層水の密度の低下をもたらし、下層との成層を強め鉛直混合が起きにく く、従って下層の暖かい北大西洋水の熱が表層に運ばれるのを抑制する働きを持っている。 この２つの作用により、河川から流入する淡水は、北極海に海氷が成長しやすい状況を作り 出している。

5. 夏季でも、大部分が厚い（３-５m）多年氷で覆われている。

   大陸棚の海氷が融けるだけで、図５の海盆部（濃い色の部分）が多年氷域である。そのため、大型砕氷船をもってしても、地球上で最も海洋観測が困難な海域である。
   南大洋（南極大陸を取り巻く海）の海氷は、夏季になるとその大部分が融けてしまい、大陸 付近に僅かに残るだけである。

４．北極海の全球的気候システムに果たす役割
    地球の気候は、熱帯域で獲得した太陽からの熱を大気と海洋が極域へ運び、そこで宇宙へ放出する地球熱機関の働きで、全体として現在の平衡状態（現在の気候）を保っている。ところが、この地球熱機関が温室効果ガスの増加によりその働きが変わり、その結果として地球は現在の平衡状態を保つことが出来なくなり、別の平衡状態（別の気候）へ移行するのが確実とされている。
    今、我々が知っているのは、炭酸ガスの急激な増加と全球的に気温が上昇している事である。 次の平衡状態はどのようなものか？そこへ到達するまでの変化速度は？等、来るべき変化を見積もる事が急がれる。もし変化の速度が緩やかであれば、人類の知恵をもってすれば社会的に気候変動に対応していけるであろう。また、生態系もその変化に追従できるかもしれない。しかし、その変化が早すぎたり、次の平衡状態へジャンプしたりすると、地球環境に思いもかけない変動が発生することが懸念されている。


4.１北極気候システム
    北極域の海氷、氷河、ツンドラ、永久凍土などは、現在の気候に対応して微妙なバランスの上にその分布が決められている。そのため、温暖化に伴う僅かな環境変化に敏感に感応し、目に見える形で変化する。即ち、温暖化の兆候を視覚的に示す気候変動の高感度センサーである。一方で、現在の大気と海洋の大循環モデルを用いた、温暖化に伴う21世紀の全球的気候予測によると、北極海とその周辺地域での気温上昇が最も大きい（図７）。そのため永久凍土の融解により温暖化ガスの大量放出や北極海から流氷野が縮小あるいは消失してしまうことが考えられている。特に、北極域の気候システムは正のフィードバック機構¹⁾を内在するため、その変動は劇的に起こり、北極海から瞬く間に海氷が消滅する事が想定される。もし、その様な事が起こったら、全球的な大気海洋相互作用に大きな変化を与える事は確実で、気候はどう変化するのであろうか？

1)： 正のフィードバック；氷・アルベドフィードバック効果と呼ばれ、海氷のアルベド（太陽光の反射率）が0.6?0.8であるのに対し、海水のそれは0.1以下である事より生じる増幅効果である。温暖化により、もしある海域で海氷が僅かに減少したとすると、今まで海氷に覆われていた海面のアルベドが大きく低下するので、そこの海水は、多量の太陽熱を吸収できる。その結果、水温が上昇するとともに周囲の大気の温度も上昇する。それがさらに周囲の海氷を融かし、さらに気温と水温を上昇させていく?。

    前述の様に、北極海の表面には、周りを取り巻く大陸の大河から流れ込む大量の河川水により、低塩分の北極表層水が形成されている。このため、寒冷な気候もあって、海氷が成長しやすい状況にある。生まれた海氷は、徐々に厚くなりながら北極海にしばらく留まった後、主にグリーンランドとスピッツベルゲンの間のフラム海峡を通ってグリーンランド海・北大西洋に流れ出て行く、そして逆に北大西洋からは暖かく高塩分の海水が北極海に流入している（図６）。
    地球気候システムの、一つのサブシステムとして北極海を考えてみると次のように言える（図８）。冬季に北極上空の非常に冷たい大気により作り出された海氷が、北大西洋に流れ出しそこで融けることは、北極海が流氷という形をとって負の熱と淡水を北大西洋に供給していることを意味する。これを補償するように、北大西洋からは高温・高塩の水が主にフラム海峡とバレンツ海と通じて北極海に流入する。即ち、北極海の熱循環は、北大西洋から取り込んだ熱を海面へ汲み上げて海氷を通して大気へ熱を放出すると同時に、北大西洋に氷として負の熱を供給している北極熱ポンプとして表現できる。また淡水収支から見ると、北極水ポンプは大陸から集めた河川水を海氷に変え、フラム海峡からグリーンランド海を経て北大西洋に送り出している。その補償として、北大西洋水を北極海の中層に取り込んでいる。
  北極海の気候システムを考える上で、非常に重要であると同時に、システムを複雑にしているのは海氷の存在である。海氷が気候システムに対して果たす役割として、特に主要なのは次の三つである。第一は、海氷は大気と海洋の境界にあって両者の間の熱・水蒸気・CO２・運動量等の交換を妨げる。例えば、１m程度の海氷の存在により海から大気への熱輸送は1/100に減少する。第二に、海氷のアルベド（反射率）は海水に比べて非常に大きいので、太陽放射の多く（60?80%）を反射してしまう。第三は、海氷生成にともなって海中に排出される冷たく高塩分のブラインは、世界の深層水や底層水の主要な起源である。
  北極海を覆っている海氷野は、静止した一様な厚さの氷の板ではなく、薄い氷、厚い氷、氷丘、開水面などから構成される混合物である。そして、それは常に移動しながら混合比を変えると同時に、積雪やパドル（海氷上に発生する融雪・融氷水の水たまり）の有無によって特性が大きく変わる。この海氷の分布と移動及び生産量が気候システムの中で決定的役割を果たしている。中・低緯度の海域では、大気と海洋の相互作用を考えれば十分である。しかし、極域では大気と海洋の間にわずか数m程度の薄物でありながら非常に複雑な構造を持ち、両者の相互作用に大きな役割を果す海氷を含んだ三者の相互作用を考える必要がある。


4.２北極海の役割；地球のラジエター
  地球の気候を決定している地球熱機関を自動車に例えると、車の動力源はエンジンである。しかし、エンジンだけでは高温になってエンジンが焼き付いて壊れてしまう。エンジンのほかに、その熱を冷ますラジエターがあってはじめて、車はスムーズに動きつづけることができる。
  地球の気候システムでは、太陽から十分な熱を受ける赤道付近の海がエンジン（熱源）にあたり、北極と南極という二つの極域がラジエター（冷源）の役割を担っている。このラジエターがどういうメカニズムで働いているのか、その働きに変化がないのか。その解明こそが北極観測の最重要課題である。
  北極ラジエターは、大気・海氷・海洋の三つの部品から成っている。なかでも海氷は、ラジエターシステムの制御装置と言える。海氷は良質の断熱材かつ反射材であり、海洋と大気を仕切る「風呂の蓋」の働きをしている。大気は冬には-50℃以下にもなるのに対し、海水はせいぜい-２℃にしかならない。当然、間の仕切りがなければ両者の温度差に従って、海水から大気に膨大な熱が移動することになる。加えて、海氷は太陽光の60?80%を反射してしまうので、太陽が一日中沈まない夏でも太陽熱によって海水が暖まることを防いでいる。つまり、海氷は海と大気の間の熱の移動を妨げることで、北極ラジエターの働きを制御しているのである。更にもう一つ重要な部品として、海の内蓋と言える「冷たい塩分躍層」がある。「冷たい塩分躍層」とは、水深50?200mに見られる、水温がほぼ結氷温度（-1.5〜-1.9℃）で、塩分が30?32くらいから35まで急激に変化する層を指す。「冷たい塩分躍層」の下、水深200〜900mの中層には、北大西洋から流れ込んできた暖かい水塊が存在する。普通ならば、この多量の熱が表層へ伝わり、氷を融かしたり成長を抑えるはずである。ところが、この「冷たい塩分躍層」があるため、熱の輸送が妨げられている。これまでは、これら２重の蓋により、北極海が貯えている大量の熱が大気に逃げるのを最小限に押さえると同時に、反射板である海氷が太陽熱により海水が温まるのを防いで来た。ところが最新の研究成果として、これら二つの蓋が縮小しつつある事が明らかになった（Bjφrgo et al., 1997; Cavalieri et al., 1997; Morison et al., 1997; Steele and Boyd, 1998; Johannessen et al., 1999; Rothrock et al., 1999）。即ち、ラジエターの能力が変わりつつある。”もし”このまま蓋の縮小が続くと、近未来に「少なくとも夏は、北極海から海氷が消えてしまう」事が予想される。”もし”そうなったら、地球熱機関はどのように変わり、地球の気候はどんなものになるのであろうか？

５.　”もし”北極海から海氷が消えてしまったら？
  思考実験として以下のような事が考えられる。
  その１．塩分効果が卓越すると；温暖化による降水量の増大や海氷及びグリーンランド氷床の融解水が、グリーンランド海と北部北大西洋の表面を広く覆うので、表層海水の密度が大きく下がり、冬季に冷やされても深海へと沈み込むほど重くなれない。即ち、深海へ沈み込む駆動力を失ってしまう。その結果、深層海流を作る沈み込みが止まり、ベルトコンベアが停止する（塩カタスロフィー) 。その結果、湾流が北上出来ず寒冷化する。
  約１万３千年前、最終氷期が終わり地球が温暖化に向っている時に突然気温が急激に低下した時期があり、ヤンガードライヤス期と呼ばれている。この寒冷期は、北米大陸を覆っていた大陸氷床の融解水が突如北部北大西洋に流れ出したため、ベルトコンベヤが止まったと想像されている。古気候の研究から、ヤンガードライヤス期には日本でも寒冷な気候であった。
  その２．大気冷却効果が卓越すると；極域の表層水が冷たい大気に直接さらされるので、効率良く冷やされ沈み込みが強まりベルトコンベアが速く回転する。同時に沈み込みの場所も（ベルトコンベヤーの出発点）が、北極海に移動する。その結果、湾流の北上が強まり、温暖化が加速される。一方、ベルトコンベヤに乗った深層水が表面へ上昇する、北部北太平洋域は？？
  その3．前者とは視点が違うが、海氷の消滅は極気団を弱め、気温の南北勾を減少させ偏西風の弱化とブロッキングの発生頻度を高める。その結果、寒波や熱波にしばしば見舞われると言った、異常気象が多発する。
  一方、東京大学気候システム研究センター阿部博士のシミュレー ションによると：
  北極海や南大洋に海氷が全く無い時、地球の気温は急激に温暖化し、１５年後に全球の平均気温はおよそ２℃上昇した。カナダのハドソン湾やオホーツク海など、低緯度にありながら海氷が発達するはずの地域は特に温暖化が激しく、１０℃近い上昇が見られた。北極海から遠く離れた日本の本州でさえ、平均気温が1℃以上上昇した。
  地球の気候システムは、さまざまな部品から成り立っており、個々の部品の機能についてさえ我々は十分な知識を持っていない上、それらが相互作用をしている。そのため、一つの変化がどのような連鎖反応を起こすのか、正確に予測するのは非常に困難であろう。それだけに、思わぬ連鎖反応の果てに、想像を超えた気候変動が訪れるかもしれない。上述の”もし”は非常に単純化したシナリオであり、「その１」と「その２」の様に相反する事さえ想定される。これらは、言葉の遊びに近いであろうが、「変わりつつある北極」が切っ掛けとなって「変わって行く地球」になる可能性は十分にある。

６.　おわりに
  大気・海洋大循環モデルによる温暖化予測実験によると、極域にその影響が非常に大きく現れる事になっている。今のところ、地球の気温は上昇しつつあるのは幾つかの研究で確かであるが、実際にどのような気候へと変化するのかについての予測はまだ不明な点が多い。気候変動の予測研究には、大気と海洋の相互作用による全球的気候システムの理解が不可欠であり特に地球熱機関の正確な理解が重要である。中でも、これまで厳しい自然条件と遠隔地ということもあって遅れがちであった極域（熱機関の冷源）の大気海洋相互作用の解明が急がれている。既に述べたように、北極の気候システムを制御している、海氷と「冷たい塩分躍層」が減少しているのは事実である。これが北極気候システムが本来持っている自然の″ゆらぎ″なのか？それとも温暖化の兆候なのか？はともかくとして、今、北極海の大気海洋相互作用は間違い無く変化しつつある。
  より正確な地球温暖化予測は近い将来、より進歩した数値モデルにより明らかにされるであろうが、我々の様に観測を中心として気候変動に迫ろうとする者にとっては、現在の地球環境の把握とそれどう変化しつつあるのかを観測・監視すると同時に、気候モデルの向上に資する現場観測データを蓄積する事が緊急の課題である。

• Bjφrgo, E., O. M. Johannessen and M. W. Miles, 1997: Analysis of merged SMMR-SSM/I time series of Arctic and Antarctic sea ice parameters 1978-1995, Geophys. Res. Lett., 24(4), 413-416.
  
• Boer, G. J., G. M. Flato and D. Ramsden, 1999: A transient climate change simulation with greenhouse gas and aerosol forcing: Projected change in the 21st century, Climate Dynamics, in press.
  
• Cavalieri, D. J., P. Gloersen, C. L. Parkinson, J. C. Comiso and H. J. Zwally, 1997: Observed hemispheric asymmetry in global sea ice changes, Science, 278, 1104-1106.
  
• Hunt Jr., G. L., C. L. Baduini, R. D. Brodeur, K. O. Coyle, N. B. Kachel, J. M. Napp, S. A. Salo, J. D. Schumacher, P. J. Stabeno, D. A. Stockwell, T.E. Whitledge, and S. I. Zeeman, 1999: The Bering Sea in 1998: the second consecutive year of extreme weather-forced anomalies, EOS, 80 (47), 561, 565, 566.
  
• Johannessen, O. M., E. V. Shalina and M. W. Miles, 1999: Satellite evidence for an Arctic sea ice cover in transformation, Science, 286, 1937-1939.
  
• Morison, J. H., M. Steele and R. Andersen, 1997: Hydrography of the upper Arctic Ocean measured from the nuclear submarine USS Pargo, Deep Sea Res. Part 1 45, 15-38.
  
• Rothrock, D.A., Y. Yu and G.A. Maykut, 1999: Thinning of the arctic sea-ice cover, Geophys. Res. Lett., 26(23), 3469-72.
  
• Steele, M. and T. Boyd, 1998: Retreat of the cold halocline layer in the Arctic Ocean, J. Geophys. Res., 103 (C5), 10419-10435.