Timing and cause of early Late Pleistocene megadrought in eastern Africa

問題
後期更新世の初期（約135–70 kyr前）、広義の海洋酸素同位体ステージ5（MIS5）に対応する時期は、熱帯アフリカにおける数千年にわたる深刻なメガドラウト（超乾燥期）によって断続的に中断された。これらのイベントは、古代の人類の人類学的環境に大きな影響を与え、ユーラシアへの分散を誘発した可能性があると仮定されている。しかし、これら「MIS5アフリカ・メガドラウト」の背後にある因果メカニズムは依然として解明されていない。主要なパラドックスが存在する。すなわち、この時期の支配的な間氷期に近い気温は、熱帯モンスーンのダイナミクスを活性化させ、十分な降水をもたらすと予想されるが、プロキシ記録は最終氷期極大期（LGM）よりもはるかに深刻な乾燥を示していることである。これまでの研究は、この時代の湖底堆積物記録の精密な年代測定の困難さと、干魃自体による気候プロキシ登録の不連続性によって、解明が阻まれてきた。その結果、これらのイベントの地域的な同期性と、軌道要素による日射強制力との関係を評価することが困難となっていた。

方法論
本研究は、過去17万年間にわたる東部赤道アフリカの平均夏季気温（MST）と水文気候（水分バランス）の高解像度（平均約200年解像度）の再構築を提示する。データは、コンゴ空気境界の東側に位置し、インド洋からの水分に完全に依存しているチャラ湖（南緯3.3度、東経37.7度）の連続的な堆積物記録に基づいている。

• 気温再構築： MSTは、その分子構造が温度によって変化する細菌によって生成される膜脂質である、分岐鎖グリセロールジアルキルグリセロールテトラエーテル（brGDGTs）の分布を用いて再構築された。世界各地の湖に基づいた較正が適用され、地域のLGMから完新世にかけての温度変化に合わせて再スケーリングされた。
• 水文気候再構築： 過去の水分バランス（降水量－蒸発量、P–E）は、分岐鎖およびイソプレノイドテトラエーテル（BIT）指数を用いて再構築された。この指数は、brGDGTsとイソプレノイドGDGTクレナアーキオールとの存在比率を反映している。チャラ湖の設定において、BIT指数は、水文学的バランスによって駆動される湖の水深と水柱の成層作用のプロキシとして機能する。
• 年代測定： 高解像度の放射性炭素（$^{14}$C）年代測定、10層の主要な火山灰層の$^{40}$Ar/$^{39}$Ar年代測定、6つの地磁気強度異常の堆積学的シグネチャー、およびトバ火山噴火のクリプトテフラ（73.7 kyr前）という精密な時間アンカーを統合することにより、独立した年代モデルが構築された。これにより、平均して約+1625年（2シグマ）の年代不確実性が得られた。
• 比較分析： 再構築されたデータは、因果メカニズムを特定するために、軌道要素パラメータ、大気CO$_2$記録、高緯度気温（極域氷床コア）、全球的な氷床規模の記録、およびHadCM3気候モデルシミュレーションと比較された。

主な結果

1. 温度進化： MSTの記録は標準的な氷期ー間氷期サイクルを示しているが、独特の特徴を持つ。ピーク時の間氷期温暖期（25.7 °C）は約130 kyr前に発生し、南極やグリーンランドの極大期と同時期であった。注目すべきは、約112–100 kyrの間に第二の温暖相が発生したことであり、この時期の温度（23.7 °C）は、全球的な冷却と氷期形成の開始にもかかわらず、完新世や現代の値とほぼ同一であった。
2. 水文気候と「メガドラウト」： BIT指数の記録は、MIS5期間中に3つの長期的な乾燥区間（136–123、110–87、および~85–77 kyr前）を明らかにしている。しかし、地震層序学とBIT指数は、110+2.0 から 97+1.6 kyr 前の間の単一の極端なメガドラウト・イベントを特定した。この期間中、BIT値は極めて低く（平均0.15）、これは湖がbrGDGTsを生成する細菌を支えるのに必要な無酸素状態を維持できないほど浅くなったことを示しており、湖の水深と有効水分量の深刻な減少を意味している。
3. 温度と水分の関係： 本研究は、温度と水分の関係における変化を特定した。MIS5初期（メガドラウトを含む）において、その関係は主に負の関係（完新世と同様）であり、高温が必ずしも高い水分量を保証しないものであった。対照的に、後期の氷期（~35–11.7 kyr前）では、冷却が蒸発と水分の需要を減少させるというモンスーン理論と一致する正の関係を示した。
4. 軌道要素による強制力： MIS5初期の温度変動は、ある程度の歳差運動（約21 kyr周期）の周期性を示したが、離心率が低いため、約100 kyr以降はその信号が減衰した。過去約30 kyrにおける歳差運動シグナルの再出現は、直接的な軌道応答ではなく、ハインリッヒ・スタディアル1の冷却による人工的なものであると考えられる。

因果メカニズム
本論文は、主要なMIS5メガドラウト（110–97.5 kyr前）は、以下の2つの要因の重なりによって引き起こされたと提案している。

1. 高い大気水分需要： 東部赤道アフリカは「間氷期様式」の温度レジーム（~23.7 °C）を維持していたため、高い大気水分需要を生み出した。
2. 減少した水分供給： 同時に、北東モンスーンの水分源であるアラビア海の海面水温（SST）は、全球的な冷却と氷期形成により低下していた。

このミスマッチ、すなわち、高い水分を必要とする陸域の高温と、冷却するアラビア海が供給できないという状況が、「小雨」（10月–12月）を減少させた。HadCM3シミュレーションは、この期間中に12月から3月にかけて降水量が減少したことを支持している。著者らは、このメカニズムは、軌道要素への全大陸的な応答ではなく、インド洋の水分と北東モンスーンに依存する地域特有のものであると示唆している。

意義
本研究は、MIS5のメガドラウトが単に軌道要素の日射や全球的な冷却によって駆動されたのではなく、陸域の温度と海洋の水分源との間の特定のデカップリング（分離）によって引き起こされたことを示すことで、その謎を解明したと主張している。

• メガドラウト年代の精緻化： データは、MIS5の大部分を通じて乾燥条件が支配的であったものの、東部赤道アフリカにおける極端な湖の縮小を特徴とする真の「メガドラウト」は、特定の期間（~110–97.5 kyr前）のみであったことを示唆している。
• メカニズムへの洞察： 本知見は、温暖な間氷期の温度が自動的に湿潤なモンスーンをもたらすという仮定に異を唱えるものである。むしろ、降水を制御する上で、子午面温度勾配と水分源領域（アラビア海）の温度がいかに重要であるかを強調している。
• 人類の分散の文脈： この特定の干魃の時期と深刻さを特定することで、本研究は、更新世初期のアフリカ東部における古代人類の生活環境と、潜在的な分散のトリガーを理解するための洗練された環境的文脈を提供している。
• 地域的な特異性： 著者らは、MIS5のメガドラウトは、一様な大陸的応答ではなく、局所的なモンスーンのダイナミクスと海洋・大気の相互作用によって駆動された、地域的に定義された現象であった可能性が高いと結論づけている。