核戦争の煤煙噴射による気候変動で、作物、海洋漁業、家畜の生産が減少し、世界の食糧難と飢饉が発生する

Contents

概要
メイン
結果
- 農作物や漁獲物の生産性への影響
- ヒトの総カロリー摂取量への影響
考察
メソッド
データの有無

www.nature.com/articles/s43016-022-00573-0

発行：2022年8月15日

Nature Food vol.3,pages 586-596(2022)この記事の引用。

概要

核兵器の爆発による大気中の煤煙負荷は、地球の気候に混乱を引き起こし、陸上および水域の食糧生産を制限する。ここでは、気候、作物、漁業モデルを用いて、成層圏煤煙の6つのシナリオから生じる影響を推定し、貯蔵食料が消費された後の戦後の各国における総食料カロリーを予測する。

対象地域から離れた場所での影響を定量化することで、5 Tgを超える煤煙の注入は、ほとんどすべての国で、大量の食糧不足につながり、畜産と水産物生産は、減少した作物生産量を補うことができないことを実証している。

食品廃棄物の削減などの適応策では、利用可能なカロリーを増やす効果は限定的である。インドとパキスタンの核戦争で20億人以上、米国とロシアの戦争で50億人以上が死亡すると推定され、核戦争を防ぐための国際協力の重要性が浮き彫りになっている。

メイン

大規模な火山噴火や核戦争などの異常事態は、地球規模の気候の混乱を突然引き起こし、食料安全保障に影響を与える可能性がある。成層圏の硫酸エアロゾルによる地球規模の火山冷却は、例えば、1783年のアイスランドのラキ噴火1や1815年のインドネシアのタンボラ噴火2^,^3の後に、深刻な飢饉や政情不安を引き起こした。核戦争の場合、地球規模の冷却は、大気および地理的要因の中でも、兵器の収量、兵器の数および目標に依存する。核戦争では、都市や工業地帯を標的とした爆弾が暴風雨を起こし、大量の煤煙を大気圏上層部に放出し、これが地球全体に拡散して地球を急速に冷却する4^,5,6。このような煤煙負荷は、地球の気候に10年単位での混乱をもたらし7^,8,9、陸上や海洋での食糧生産システムに影響を及ぼすと考えられている。1980年代には、核の冬が世界の農業生産10と食料供給11に与える影響について15カ国を対象に調査が行われたが、現在では新しい情報により、その推定値を更新することができる。最近、いくつかの研究が、気候、作物、漁業モデルを用いて、地域核戦争のさまざまなシナリオに対する主要穀物12^{、13、14と}海洋天然魚介類15の変化を分析している。最近、より高収率の核兵器を蓄積しているインドとパキスタンの戦争16 では、成層圏に5-47 Tgの煤煙が堆積する可能性がある。世界の核兵器の90%以上を保有する米国とその同盟国、ロシアとの戦争では、150Tg以上の煤煙が発生し、核の冬が到来する可能性がある4^,5,6,7,8,9。核兵器の使用数が少ないほど成層圏への煤煙放出量は少なくなるが17、いったん核戦争が始まると、エスカレーションを抑えることが非常に難しくなる18。

検討したシナリオを表1に示す。各シナリオは、1週間続く核戦争を想定しており、表中の核兵器の数と収量が生じ、成層圏にさまざまな量の煤煙を発生させる。他の核保有国（中国、フランス、イギリス、北朝鮮、イスラエル）が関与する戦争など、同様の量の煤煙を発生させ、したがって同様の気候ショックを与える可能性のある戦争シナリオは多数存在する。

表1 調査した様々なシナリオにおける都市部の標的に対する兵器数、収量、爆風による直接死者数、結果として飢餓による死の危険にさらされた人の数

すす(Tg)	武器数	収量(kt)	直接死者数	2年目終了時の食糧不足者数
5	100	15	27,000,000	255,000,000
16	250	15	52,000,000	926,000,000
27	250	50	97,000,000	1,426,000,000
37	250	100	127,000,000	2,081,000,000
47	500	100	164,000,000	2,512,000,000
150	4,400	100	360,000,000	5,341,000,000
150	4,400	100	360,000,000	^a5,081,000,000

5Tg のシナリオは文献 16 のものである。¹⁶～47Tgのケースは2025年のインド・パキスタン戦争を想定したものです。¹⁶〜47Tgのケースは2025年のインド・パキスタン戦争、150Tgのケースは参考文献51のものです。^51のケースは、フランス、ドイツ、日本、イギリス、アメリカ、ロシア、中国への攻撃を想定したものである。最後の列は，他の人口が生存するために必要な最低限の食料を提供され，1日1人当たり1,911 kcalのカロリー摂取と仮定し，国際貿易がないことを許容した場合に，2年目の終わりまでに餓死する人の数；補足情報，補足表5，家畜穀物飼料を50％は人間の消費に，50％は家畜を育てるために使うPartial Livestock case，2010年の入手しうる最新の完全データを用いて，からである。2010年の場合、この研究で使用した国の総人口は6,700,000,000人である。核戦争によってこのような量の煤煙が発生するシナリオは他にも多数あり、今回使用したシナリオはあくまで例示である。最後の列は、国際貿易がない場合の死者数が最も少ないケースであり、他のケースは補足情報に掲載されている。
^a家庭の総廃棄物を食料消費量に加算した場合を^想定している。

2017年のカナダ19,2019年と²⁰²⁰年のオーストラリアにおける最近の破局的な森林火災では、0.3～1Tgの煙（0.006～0.02Tgのすす）が発生し、その後、太陽光によって加熱され成層圏の高い位置にロフティングされた。この煙は世界中に運ばれ、何ヶ月にもわたって続いた。このことは、核戦争後にも同じようなプロセスが起こるという私たちのシミュレーションに自信を与えてくれた。

核戦争では、核兵器が使用された場所の近くで主に土壌や水が汚染される22。煤煙は大気圏上層部に到達すると地球規模で拡散するため、今回の結果は、戦争当事国に関係なく、地球規模で関連性がある。ここでは、核戦争による気候の混乱に焦点を当て、それが陸上と海洋における世界の食糧生産システムに影響を及ぼすと考える。これまでのところ、陸上と海洋の両方の食糧生産に対する、あらゆる戦争シナリオの影響を統合的に推定することはできない。私たちは、5トンから150トンの煤煙を発生させる6つの戦争シナリオが食糧供給に与える影響を検証する（表1）。世界のカロリー供給への影響を評価するために、主要作物と天然海洋魚のモデル・シミュレーションを、その他の食料・家畜生産の推定変化とともに使用する。

結果

農作物や漁獲物の生産性への影響

気候、作物、漁業モデルを用いて (Methods)、6種類の成層圏煤煙注入後の各年について、異なる食品群のカロリー生産量を計算した。気候の影響は約10年間続くが、最初の数年でピークに達するだろう（図1）。

シミュレーションした作物からの世界平均カロリー生産は、最も小さい5 Tgの煤煙シナリオでも戦後1-5年に7%減少し（図2a;以前のマルチモデル結果14と同等、補足図2）、47 Tgシナリオでは最大50%減少した。150 Tgの煤煙のケースでは、核戦争後 3-4 年で、農作物からの世界平均カロリー生産が約 90%減少することになる。この変化は、世界の食糧市場に壊滅的な混乱をもたらす。対照的なシミュレーションと比べた世界の収量の7%減でさえ、食糧農業機関 (FAO）の観測記録が始まった1961年以来、最大の異常値を上回るからだ。

**図2: 核戦争時の煤煙注入の違いによる農作物と魚のカロリー生産量の変化と、草の累積炭素量の変化。**

魚は、特にタンパク質の供給という点で、もう一つの重要な食糧資源である。核戦争は天然魚の漁獲量15を減少させるが（図2b）、海洋食物網の基盤である海洋純一次生産力の減少は穏やかであり（5Tgで3%、150Tgで37%）、海洋温度の変化はそれほど顕著ではない（図1）ため、その減少は陸上農業より小さい。陸上作物生産は、作物と漁業を合わせた総カロリー変化を支配している（図2c）。これは、世界の作物生産が乾物換算で野生漁業の24倍であり、主食作物は単位小売質量あたり魚の約5倍のカロリーを含んでいるからである23^{,3および補足図3）。}

**図3：世界の平均的な人間の食事とタンパク質組成、および作物由来の製品の使用量。**

ヒトの総カロリー摂取量への影響

人間が消費できる食品総カロリーへの影響を推定するため、食事構成、さまざまな種類の食品のカロリー含有量、作物の使用量、および直接モデル化していない食品生産の変化を考慮する (Methods)。2010年、FAO23は、世界のカロリー利用可能量の51%が穀物から、31%が野菜、果物、根菜、塊茎、ナッツから、18%が動物および関連製品からで、そのうち魚は7%、海洋天然物は3%であると報告している（図3a）。私たちがシミュレーションした作物と魚は、カロリーのほぼ半分とタンパク質の40%を供給している。さらに、シミュレーションした食糧生産量のうち、人間が消費できるのは一部だけである。多くの作物 (例えば、トウモロコシや大豆）は、主に家畜の飼料など、非食用として利用されている（図3c）。

また、食糧として利用可能な総カロリー数は、核戦争に対する人間の反応に大きく依存する。食糧生産量の減少に対応して食糧輸出国が輸出を停止し、食糧の国際貿易が停止することを想定している（方法）。さらに、家畜、部分的家畜、家畜なしの3つの社会的対応を検討した（補足表3）。畜産対応シナリオは、気候変動による食糧生産の減少に対する最小限の適応を意味し、人々は通常通り家畜と魚を維持し続ける。飼料用の作物残渣をより多く収穫したり、昆虫由来のサプリメントなど新しい飼料を追加したりすれば、潜在的な家畜飼料は増加するが、新しい飼料サプリメントは追加せず、家畜飼料に対する農業穀物、残渣、放牧バイオマスの割合は同じと仮定している。すべての作物からのカロリーは、私たちの4つのシミュレーション作物の平均削減量で削減し、海洋天然魚からのカロリーの変化は、通常通りの漁業行動で計算する。家畜なし反応は、家畜（乳製品と卵を含む）と水産養殖の生産が初年度以降維持されず、これまで飼料として使われていた作物生産の全国的な割合が人間の飼料として利用できるようになるシナリオを表している。さらに、漁業圧力が強まり、魚価が5倍に上昇することでシミュレートされる15。1815年のタンボラ火山噴火後の「夏のない年」にも、ニューイングランドで同様の反応が起こった2。気温の変化は、ここでの核戦争シナリオのどれよりも小さかったにもかかわらず、農民は作物の不作によって家畜を養えなくなり、家畜を売らざるを得なくなり3、それまで口にできなかった魚が食事に加えられた2^、3、25。私たちは、人間が利用できる食物競合飼料26の割合をフルレンジ（0-100%）でテストし、いくつかのプロットや表では例として 50%を選んでいる。家畜と 家畜なしのケースの間には、家畜の穀物飼料を人間の消費に転換した後の残りの部分を家畜の飼育に利用する、部分家畜のケースも考えている。

最終的なバイオ燃料製品（バイオディーゼルとエタノール）は、植物由来製品の0.5%に過ぎず27、植物油（食品総カロリーの~1.8%）とアルコール（食品総カロリーの3.4%）という形で食品として再利用される可能性がある。バイオ燃料の副産物は、家畜の飼料や廃棄物に添加されている27。そのため、計算ではバイオ燃料の最終製品からのカロリーのみを加算している。世界平均の家庭ゴミは20%程度である（参考文献²⁸）。核戦争後、家庭ゴミが50%あるいは100%減ると仮定すれば、これらの余剰カロリーが利用可能になる。

カロリー損失の国家的影響は、休耕地の量、地域の気候の影響、人口レベル、および国際食糧貿易が完全に停止したと仮定した場合に左右される（方法;図4）。ここでは、国家における二つのカロリー摂取レベルに注目する。すなわち、通常の身体活動を維持するためのカロリー摂取と、基礎代謝量（安静時エネルギー消費量ともいう^）より低いカロリー摂取である²⁹。この2つのレベルは、人口の構成や身体活動によって国によって異なる。第一水準より少ない食料消費では、通常の身体活動を維持しながら同時に体重を維持することはできず、基礎代謝量より少ないと、座っているだけの活動でも急速に体重が減少するため、すぐに死に至ることになる29。5 Tg注入では、ほとんどの国で2010年レベルに対して摂取カロリーが減少しているが、それでも体重を維持するのに十分である（図4および補足図5）。より大きな煤煙注入ケースでは、畜産ケースで中高緯度国のほとんどで深刻な飢餓が発生する。食料競合飼料の50%を人間消費用に転換した場合、煤煙注入量が少ないシナリオでは十分なカロリー摂取量を維持できる国（米国など）もあるが、煤煙注入量が多いケースでは体重減少や厳しい飢餓が発生する（図4、補足図5）。

**図4：異なる核戦争煤煙注入後の2年目の食物摂取量（1人1日当たりkcal)。**

150 Tgシナリオでは、ほとんどの国で摂取カロリーが安静時エネルギー消費量を下回ることになる29。一つの例外はオーストラリアである。国際貿易を停止すると、オーストラリアでは小麦がカロリー摂取量のほぼ50%を占め、オーストラリアでの米、トウモロコシ、大豆の生産量は小麦の1%未満である23^,24。したがって、模擬核戦争に対する小麦の反応は、オーストラリアのカロリー摂取量を大きく左右する。小麦の代表として春小麦が使われ、そこでのシミュレーション春小麦は、食糧生産により有利な気温が発生する核戦争シナリオの下で増加または小さな減少を示すので、オーストラリアのカロリー摂取量は他の国よりも多くなる。しかし、この分析は、国レベルで収集されるFAOのデータによって制限される。それぞれの国の中で、特に大きな国では、インフラの制限、経済構造、政府の政策によって、大きな地域的不公平が生じる可能性がある。また、ニュージーランドは、他の国よりも影響が小さいと思われる。しかし、このシナリオが実際に起こった場合、オーストラリアとニュージーランドは、おそらくアジアや食糧難に陥っている他の国から難民が流入することになるだろう。

戦後の世界平均カロリー供給量（図5a）は、極端な地域的削減（図4）は貿易によってある程度克服できることを示唆しているが、世界的に食料を均等に分配することはおそらく大きな課題であろう。家畜のケースの場合、食糧が世界中に均等に分配され、家庭からの廃棄物が2010 年と同様に20%であれば、5 Tg シナリオの下ですべての人に通常の身体活動を支えるだけの食糧があり、家庭からの廃棄物が20% から 10%に減少すれば、16 Tg シナリオの下ですべての人を余分のカロリーで支えることができ、家庭からの廃棄物がなければ 27 Tg ケースでも、すべての人は生存に必要なカロリーを消費するだろう。最も楽観的なケース、すなわち家畜の作物を100%人間に食べさせ、家庭からの廃棄物をなくし、世界の食糧配給を公平にした場合、47 Tgのケースでもすべての人に十分な食糧生産が可能である。国際貿易が停止し、食糧が各国内で最適に配分され、最大数の人々が体重と通常の身体活動を維持するためのカロリー摂取量を得られると仮定すると28、支えられる人口の割合が算出できる（図5bおよび補足図6b）。150 Tgのケースでは、ほとんどの国で、2 年目の終わりまでに生存する人口が25%未満になる（補足図7）。2020 年には、食糧生産はより多くの世界人口を養うのに十分すぎるほどであるにもかかわらず、世界中で 7 億 2000 万～8 億 1100 万人が栄養不良に苦しんでいる30。このように、食糧の分配は、国家間でも国内でも不公平になる可能性が高い。

考察

最先端の気候、作物、漁業モデルを用いて、様々な核戦争シナリオの下で食糧供給の可用性が世界的にどのように変化し得るかを計算する。作物と海産魚を組み合わせ、家畜や動物性食品が重要な食糧源であり続けるかどうかも考察している。

地域的な核戦争では、この論文で検討した補償行動を考慮しても、世界の大部分は飢餓に苦しむ可能性がある。家畜に食べさせた作物を人間の食料として使用すれば、局所的には食料損失を相殺できるが、地球規模で利用可能な食料の総量には限られた影響しか与えないだろう。特に、大規模な大気中の煤煙注入の場合は、結果として生じる気候変動によって飼料作物と牧草地の成長が大きく損なわれることになる。家庭での食糧廃棄を減らすことは、小規模な核戦争の場合には役立つが、大規模な核戦争の場合には、気候に起因する全体的な生産量の大幅な減少のため、役には立たない。ロシアやアメリカなどの主要輸出国における作物の減少は特に深刻であり、輸出制限を引き起こし、輸入に依存する国々に深刻な混乱をもたらす可能性がある24。私たちの非貿易的対応策はこのリスクを示しており、アフリカや中東の国々が深刻な影響を受けることを示している。

核戦争が食糧システムに及ぼす潜在的影響に関する私たちの分析では、問題のいくつかの側面には触れず、今後の研究に委ねることとした。すべての回答において、直接的または間接的な死亡率や可能性のある出生率の低下による人間集団の減少を考慮していない。人口変化の総数と構成は、利用可能な労働力、カロリー生産と分配に影響を与えるだろう。また、品種選択の変更、耐寒性の高い作物や温室への切り替え31などの農家経営上の適応や、キノコ、海藻、メタン単細胞タンパク質、昆虫32、水素単細胞タンパク質33、セルロース系砂糖34などの代替食糧源も考慮していない。農家の適応35と代替食糧源は、模擬核戦争による悪影響を軽減することができるが、2 年目の食糧の入手可能性に影響する時間内にすべてのシフトを行うことは困難であり、これらの介入についてさらなる作業を行う必要がある。現在の食糧貯蔵は、1 年目の不足を緩和することができるが（参照¹⁴）、政府または市場による配給がない限り、2 年目にはあまり影響を与えないであろう。気候的に有利な地域への作付け地の拡大や移動は、作物生産を増加させるだろう。適応策と短期的な食糧の入手可能性への影響に関するさらなる研究が必要であるが、これらのテーマはこの研究の範囲外である。漁業における適応もまた、漁業における廃棄された混獲物や内臓の利用方法の変化などについては考慮されていない。これには、戦争後の食糧生産に必要な燃料、肥料、インフラの利用可能性の低下、紫外線の上昇36による食糧生産への影響、放射能汚染37が含まれる。この分析ではカロリーに焦点を当てているが、人間は、その後数年間の食糧不足を乗り切るために、タンパク質と微量栄養素も必要とする（補足図3 では、タンパク質供給への影響を推定している）。光をほとんど必要とせず、低温環境で生育する代替食品の大規模な使用38 は、これまで検討されてこなかったが、そうした生産システムが稼働すれば、救命のための非常食源となる可能性がある。

結論として、光量の減少、地球規模の冷却、核戦争後の貿易制限の可能性は、食料安全保障にとって世界的な大惨事となるであろう。気候の擾乱が作物の総生産量に及ぼす悪影響は、一般に、家畜や水生食物によって相殺できない（図5a）。インドとパキスタンの核戦争で20億人以上、米国とロシアの戦争で50億人以上が死ぬ可能性がある（表1）。今回の結果は、1985年にロナルド・レーガン米大統領とミハイル・ゴルバチョフ・ソ連書記長が発表し、2021年にジョー・バイデン米大統領とウラジミール・プーチン露大統領が言い直した「核戦争は勝てないし、決して戦ってはいけない」という言葉をさらに裏付けるものであった。

メソッド

私たちは最新の地球気候モデルを用いて、核戦争シナリオ18に関連した様々な成層圏煤煙注入による気候および生物地球化学的変化を計算する（表1、表2）。地表気温、降水量、下方直射・拡散太陽放射の変化のシミュレーションは、最新の作物モデルを用いて、主要作物（トウモロコシ、米、春小麦、大豆）の生産性が世界的にどのように影響されるかを推定し、海洋純一次生産量と海面温度の変化は、グローバル海洋漁業モデルを用いて、強制的に計算される。これらの結果を、他の作物生産、家畜生産、魚類生産、食糧貿易がどのように変化しうるかという仮定と組み合わせ、核戦争後に世界の各国が手に入れることができる食糧の量を計算する。

表2畜産ケース、部分畜産ケース、畜産なしケースで50%の家畜飼料を人間消費にまわした場合の、核戦争シミュレーション後の核兵器保有国と世界平均の2年目の食料カロリー利用率の変化（%）。

フルサイズテーブル

核戦争シナリオによる地表面気候の乱れのシミュレーションを図1にまとめた。現在の作物地帯で平均すると、地表の下降日射量は 10 W m-2 (5 Tgの煤煙注入) から 130 W m-2 (150 Tgの煤煙注入) まで減少する。受け取るエネルギーが少なくなると、最大平均2mの気温低下は1.5℃（5 Tg煤煙注入）～14.8℃（150 Tg煤煙注入）となり、戦後1～2年でピークに達し、気温低下は10年以上続く。この冷却は、夏のモンスーン地域の降水量も減少させる。海洋地域では、日射量と気温の減少は同様だがより小さく、その結果、低次元の海洋基礎生産力が変化すると予測されている（図1b,d）。作物と魚のモデルには、各グリッドセルでの局所的な変化を適用した。

気候モデル

すべての核戦争シナリオ9^,18は、コミュニティ地球システムモデル (CESM^）39を用いてシミュレートされている。このモデルは、大気、陸地、海洋、海氷を含むインタラクティブなモデルである。大気と陸域の水平解像度は 1.9° × 2.5° であり、海洋の水平解像度は 1° である。大気モデルは、Whole Atmosphere Community Climate Model version 4（参考文献⁴⁰）である。陸上モデルは、炭素・窒素循環を考慮したコミュニティ土地モデルバージョン4である。2mの気温、降水量、比湿、下方長波放射と太陽放射（直接放射と拡散放射に分離）を含む1時間と3時間の解像度のCESM出力は、オフライン作物モデルシミュレーションに使用されている。2000年の気候強制力を15年間繰り返すコントロールシミュレーションのアンサンブルメンバー、5Tgケースのアンサンブルメンバー、その他の核戦争シナリオの各シミュレーションが3つずつある。

すべてのシミュレーションで、煤煙は1年目の5月15日から始まる週に任意に注入される。私たちのシナリオでは、貯蔵されている食糧はすべて1年目に消費されると仮定し、2年目に残った食糧の分析を行う。戦争が暦年の終わりに起こった場合、2年目にも食料があるので、2年目と表示されているものは3年目と表示されるべきものである。しかし、厳しい気候と食糧の影響は5年以上続くので（図1、2）、核戦争後の世界にも同じ結論が当てはまる。

気候モデル出力の直接利用

気候モデルにはバイアスがあるため、モデル出力を作物モデルの入力として使用する前にバイアスを補正するのが一般的である。過去の観測データを用いて平均や分散の変化に対応しようとする様々な手法があるが、いずれも完全ではなく、また、モデル出力と作物モデル入力の将来の関係は最近の過去に基づくことができるという仮定に制限されている。一般的な方法14 は、観測された再解析気象データセットを使用し、気温、降水量、日射量の月平均を気候モデルのシミュレーションに従って変更するデルタ法である。この方法は、作物モデリングに重要な内部変動を現実的にする利点があるが12^,13,14、分散の変化を調整しないので、150 Tgのケースのような高排出シナリオでは非現実的な仮定となる可能性がある。ここでは、私たちが使っているのと同じ気候モデルですでに校正されている作物モデルを使うので、生の気候モデル出力（1.9°×2.5°）を使って作物モデルを強制し、これによって分散も変化させることができる。

作物モデル

作物シミュレーションは、コミュニティ地球システムモデルバージョン2 (CESM2)のコミュニティランドモデルバージョン5クロップ (CLM5crop^{）41,42,43を}使用している。動的植生はオンにしていない。CLM5crop は、トウモロコシ，コメ，大豆，春小麦，サトウキビ，綿の6 種類の作物が有効であり、草などの自然植生もシミュレートしている。本研究では、穀類（トウモロコシ、イネ、大豆、春小麦）と草の出力を使用した。CLM5cropは冬小麦をシミュレートしていないが、他の研究で判明しているように、冬小麦の生産量が春小麦と同じだけ変化すると仮定した14。しかし、冬小麦は成長期に低温になり、限界閾値を超えやすくなるため、これは冬小麦の反応を過小評価する可能性がある14。表面オゾンと下向き紫外線も核戦争によって影響を受けるが36、CLM5crop はそれらの影響を考慮できないため、損失を悪化させる可能性がある。さらに、この作物モデルは、受粉媒介者、殺霜、代替種子の利用可能性を考慮していない。このモデルは天水作物と灌漑作物を別々にシミュレートしており、ここで示される結果はすべて天水作物と灌漑作物の合計生産量に言及している。灌漑作物は、淡水の利用可能性が制限されないという仮定の下でシミュレーションされている43。冷却によって蒸発量は減少するが、私たちの結果は、特に大量注入のケースで、降水量減少による負の影響を過小評価している可能性がある。

CLM5cropはFAOの観測値（1991～2010年の平均）を用いて評価41され、トウモロコシ、イネ、ダイズ、春小麦の収量の観測された空間パターンを適切に再現している。また、CLM5cropでシミュレーションした作物収量の時系列は 2006年から2018年までのFAOデータと比較しており、CLM5cropは世界の総生産量とトウモロコシ、イネ、大豆、春小麦の平均収量を合理的に表現している42。

CLM5crop は、4つの土壌炭素プールの平衡に到達するために、CESM コントロールの過去 10 年間を繰り返して 1,060 年間スピンアップさせたものである。作物シミュレーションは、CESMシミュレーションと同じ解像度（1.9°×2.5°）である。作物の植え付け日は生育度日により決定され、作物の位置は全ての作物で固定されている。

漁業モデル

魚類と漁業の反応は、BiOeconomic mArine Trophic Size-spectrum (BOATS) モデルでシミュレートされる15^,44,45。BOATSは、CESMからの海面水温と海洋純一次生産量のグリッド化（水平解像度1度）入力に基づき、商業的標的魚のサイズ構造バイオマスを計算するために使用された。また、このモデルは、魚価，漁獲コスト，漁獲可能性および漁業規制に依存する生物経済的要素を通じて、漁獲努力と漁獲を相互的にシミュレートする15。詳細はref.¹⁵およびその中の参考文献に記載されている。

作物と海産魚のデータを組み合わせる

補足表1は、9つの核保有国ごとに、模擬作物と海産魚だけによる総カロリー削減量を示したものである。各国のデータは補足表2にある。

模擬作物や模擬魚類から得られる国レベルのカロリーを計算するために、それぞれの食品のカロリー含有量で生産量を加重平均する。FAO23^,47のデータを使用する。したがって、トウモロコシ、米、大豆、小麦、海産魚の総生産量からの国家レベルのカロリー削減量（%）は、次のように計算される。

ここで、指標iはトウモロコシ、米、大豆、小麦または海産魚の天然捕獲物、wiyは各国ごとの各品目の各年のカロリー重量、_PiはFAO-Food Balance Sheet (FBS^{iの国家生産量、ciは各品目の乾燥質量100gあたりのカロリー23、Riyは核戦争後のy年の各品目の国家生産減少量（%）、_Ryは核戦争後のy年の5項目の国家平均のカロリー減少量（%）である。}

他の食品への影響

その他の作物

2010年の全農作物の総カロリーに対して、4つのシミュレーション作物の全国平均カロリー削減量（%）を適用し、このカテゴリーに対する核戦争のシミュレーション影響を推定する。

畜産・養殖

この2 種類の食糧は、比較的管理された環境で動物に給餌するため、模擬核戦争に対する反応が似ていると仮定している。家畜に関する世界的な計算では、46%が牧草で、54%が作物と加工製品で養われていると仮定し48、国レベルのデータ26を使って、牧草と作物ベースの製品からの家畜飼料の削減を計算する。家畜の生産量は飼料と直線的な相関があると仮定する。牧草の変化の推定には、牧草 (C3とC4の両方）の年間葉炭素を用い、作物飼料の変化には、4 種類の模擬作物の削減量を用いる。養殖については、飼料は作物と加工品のみで、生産量も魚が受け取る飼料の量と相関がある。気候変動が家畜や魚類に与える直接的な影響は考慮されていない。

内陸部の魚の捕獲は、本研究では考慮されていない。内陸の魚は全魚類生産量の7%にしか寄与していない46ので、内陸の漁業を加えてもこの研究の主な結論は変わらないだろう。

国際貿易

すべての食料品貿易の計算は、2010年FAO商品バランスシート (FAO-CBS）、FAO-FBS、および過去の研究からの加工データに基づいている24^,28,47。このデータセットは、各国の各食品および非食品農産物の生産と使用量、および輸出入を提供しているため、国単位での食品使用量とカロリー利用可能量の計算が可能である。

各国の食品の国内入手可能量は、国内生産と備蓄に由来し、輸出により減少し、輸入により増加する。私たちは、国内生産と国内供給の比率を、各食品カテゴリーと異なる用途の食品生産に適用して、国際貿易なしを計算する。

$C_{f o o d - n o t r a d e} = C_{f o o d} \times \frac{P_{d p}}{P_{d s}}$

ここで、Cfoodは異なる食品タイプからの国レベルのカロリー供給量26^{,Cfood-notradeは国際貿易がないと仮定した場合の異なる食品タイプからの国レベルのカロリー供給量、PdpはFAO-CBSにおける食品タイプごとの国レベルの国内生産、PdsはFAO-CBSにおける食品タイプごとの国レベルの国内供給量である。国内供給は、国内生産、輸出、輸入を含む市場で入手可能な食料である。}

トウモロコシ、大豆、米、小麦の食品使用量はFAO-CBSから算出している。FAO-CBSでは、トウモロコシ製品はトウモロコシと副産物のトウモロコシ胚芽油、大豆製品は大豆と副産物の大豆油と大豆ケーキ、米製品は米と副産物の米ぬか油、小麦製品は小麦となっている。食料目的の製品は、各カテゴリーの食料供給と加工品の合計から副産物の合計を差し引いたものである（差額にはアルコールや糖分を目的とした加工も含まれる）。

カロリー計算

家畜の場合、国レベルの利用可能カロリーは以下のように計算される。

【原文参照】

ここで、_CLは畜産のケースで各国Lで利用可能なカロリー（一人一日当たり kcal)、Cplantbased、_{Climestock-ruminant}、Climestock_-monogastricは植物由来の製品、反芻動物、単胃動物27 から得られるカロリー、_{Cacquaculture}とCmarine-catchは魚27 からのカロリー利用率に養殖と漁獲量の割合を掛けて算出したものである46。Rgrassは草の生産量変化、Rmarine-catch-yは海洋捕獲量変化である。_{Fruminant-cropfeed}は反芻動物用の作物飼料の割合、Fmonogastric-cropfeedは単胃動物用の作物飼料の割合である26。Rcyは作物生産変動として計算される。

ここで、指標iはトウモロコシ、米、大豆、小麦、wiyは各国ごとの各年度のカロリー重量、_PiはFAO-CBS47における品目iの国家生産、_ciは各品目の100g小売重量あたりのカロリー23、_Riyは核戦争後のy年の各品目の国家生産変化（%）である。 $f_{f i n a l - p r o d u c t - b i o f u e l}$ f inal-product-biof uel ffinal-product-biofuel は植物由来製品に含まれるバイオ燃料の最終製品の割合、ffoodは植物由来製品に含まれる食料の割合である。

畜産物なしの場合、国レベルの利用可能カロリーは以下のように計算される。

【原文参照】

_CNLは、畜産物なしのケースにおける国レベルの利用可能カロリーである。ffeed-to-foodは、食用作物のカロリー含有量に基づいて計算した、食用としての利用に対して飼料として利用される割合である26。0%、20%、40%、50%、60%、80%、100%でテストし、表2、図では50%を使用した。4.

部分畜産の場合、国レベルの利用可能カロリーは以下のように計算される。

【原文参照】

_CPLは、Partial Livestockケースの全国レベルの利用可能カロリーである。家畜作物飼料の人間消費への転換率を想定し、家畜なしケースのように家畜作物飼料の残りを無駄にするのではなく、残りの家畜作物飼料を家畜の飼育に利用する。

全国の家庭ごみの割合は次のように計算される。

【原文参照】

Pwasteは2010年の食品カロリー利用可能量に対する全国の家庭ごみの割合、Cavailableは各国の1人1日あたりの食品カロリー利用可能量、Cintakeは1人1日あたりの国民摂取カロリー27である。

必要カロリー

「家畜を飼っている」「家畜を飼っていない」の回答で算出した利用可能カロリーで支えられる人口の割合は、食料安全保障に対するマクロレベルの影響を示している（図4）。現在の人間の利用可能なカロリーの平均供給量は、食料摂取量と食料廃棄量を含めて、一人当たり一日2,855kcalである（図3）。必要なカロリーは、年齢、性別、体格、気候、活動レベル、基礎疾患によって大きく異なる。参考文献²⁷は、国家レベルのカロリー利用可能量、カロリー摂取量、植物性製品、家畜、魚からのカロリーを推定し、さらに、現在の身体活動が定常的でカロリー摂取量が基礎代謝量より低い低体重集団のカロリー摂取量を計算した。現在の身体活動を持つ低体重層の摂取カロリーは、生命維持と定期的な労働活動に必要なものと仮定している。

不確定要素

この作業は、1つの地球システムモデルで行われ、煤煙注入量が5Tgを超えるすべてのケースでアンサンブルメンバーは1名のみ、作物モデルも1名のみ、漁業モデルも1名のみである。5 Tgのケースとコントロールでは、3人のアンサンブルメンバーがいるが、アンサンブル平均値のみが使用されている。5Tgのケースの3つのアンサンブルメンバーは非常に似ている（補足図8）ので、大きな強制力の場合の気候変動は信号よりもずっと小さいと思われる。

CESMは最先端の気候モデルであり、核戦争の影響については、5Tg（文献^49,50）、150Tg（文献⁹）のケースで、他のモデルによるシミュレーションとほぼ同じ結果が得られている。しかし、火災の排出ガスに含まれる有機炭素を含めたり、エアロゾルの成長や周辺環境との相互作用をよりよく再現するなど、気候モデルのさらなる発展が、核戦争後の気候予測を向上させる可能性がある。

CLM5cropやBOATSも最先端のモデルであるが、今後、異なるモデルでのシミュレーションが有用であることは間違いない。CLM5cropは、核戦争強制に対する反応において、他の作物モデルとよく比較されている14（補足図2）。むしろ、CLM5crop は核戦争に対する作物応答を過小評価している（図2、補足図2）。ほとんどの作物モデルは現在または暖かい気候を対象として開発されたため、突然の寒冷化に対して作物がどのように反応するかを理解するためには、さらなる研究が必要である。私たちの研究は、核戦争後の国家の食糧安全保障を明らかにするための第一歩であるが、農作業のやり方が異なるため、国ごとに同じ強制力に対して作物が一様に反応するとは限らない。また、この問題を十分に検討するためには、マルチモデル評価が不可欠であり、地表のオゾン、紫外線、淡水の利用などから受ける影響を理解するためには、作物モデルの開発が重要である。さらに、核戦争による局地的な放射能汚染や気候変動は、昆虫界に影響を与えるだろう。害虫、受粉媒介者、その他の昆虫への影響は不明であり、それ故、更なる研究が必要である。

本研究におけるいくつかの仮定は、今後の研究において検討される可能性がある。例えば、国際貿易をオフにするために、国内供給に対する現地生産の比率を国レベルで適用している。また、核戦争後の国民のカロリー摂取量を計算するために、食料が各国に均等に分配されると仮定している。核戦争後の人間のカロリー摂取量に対する貿易と地域的な食糧分配システムの寄与をさらに理解するためには、経済モデルが必要であろう。

この研究では、参考文献^27の摂取カロリーを使用し、収穫による食品ロスは考慮していない。もし、人間の行動や食品産業が大きく変化するようなことがあれば、結論に影響を与えるだろう。