課題名

B-7 北太平洋の海洋表層過程による二酸化炭素の吸収と生物生産に関する研究

課題代表者名

向井 人史 (環境省国立環境研究所地球環境研究グループ温暖化現象解明研究チーム)

研究期間

平成8−12年度

合計予算額

278,333千円(うち12年度 68,341千円)

研究体制

(1) 海洋炭酸系測定の高度化に関する研究

  〜ゾCO2分圧測定装置の開発改良と測定法間誤差要因の解明(環境省国立環境研究所)

 ◆〜潅沙澄Ε▲襯リ度の測定法間誤差要因の解明

(経済産業省産業技術総合研究所資源環境技術総合研究所)

(2) 海洋表層CO2分圧と海洋パラメーターの定量化に関する研究

(経済産業省産業技術総合研究所資源環境技術総合研究所)

(3) 表層炭酸物質の変動と海洋生物生産の影響に関する研究(農林水産省中央水産研究所)

(4) 高頻度観測データを利用した北太平洋域の海洋表層CO2分圧の時空間分布のモデル化に

 関する研究(環境省国立環境研究所)

(5) 大気、海洋のCO2の同位体測定及び酸素/窒素比測定による炭素循環の解明に関する研究

(環境省国立環境研究所)

(6) アジア−太平洋地域の大気二酸化炭素等の観測に関する日豪共同研究

(環境省国立環境研究所)

研究概要

1.序

 地球規模炭素循環のキープロセスである海洋と大気の二酸化炭素交換量を決めることは、大気の二酸化炭素の濃度変動を研究する上で重要なポイントである。海洋表層と大気との二酸化炭素のやり取りは、海水/大気の二酸化炭素濃度(分圧)差と気象要素から算定できる。しかしながら、全海洋の季節変化を完全にカバーするような観測はこれまでに無く、海洋の二酸化炭素吸収量推定には大きな不確定性量が生じている。このために、炭素循環モデルを構築して行く時には、実測値との比較ができず問題となっている。同時に、海洋表層の二酸化炭素分圧測定法そのものの標準化と観測データのデータベース化は、大気の二酸化炭素測定と比較して遅れた段階にあり、データを統合していくための障害となっている。そのため、海水中二酸化炭素分圧測定の高度化や、測定方法間誤差を解明することが特に求められている。また、わが国では、特に北太平洋域の二酸化炭素分圧観測をいくつかの海洋観測機関が進めている。本研究の柱である、北太平洋域の密度の高い海洋観測もその一つであり、海外との分担を計りながら高度な観測を地域ごとに行なう必要があると考えられる。

 一方では、大気の観測から海洋の吸収量を観測する試みも行なわれてきた。二酸化炭素の同位体比や酸素濃度変化は海洋と陸上植物の二酸化炭素吸収量を推定できる道具として認識されるようになった。モデルなどを含んだ収支の計算や、海洋観測や大気観測など角度の違った方向からの観測による収支推定とがうまく比較されることによって、それぞれのデータの信頼性がさらに補強され、今後有益な情報となって行くことが期待される。

 

2.研究目的

 本研究では、基礎的な海水二酸化炭素分圧測定や溶存無機炭酸測定の高度化や方法間の比較実験を行い、これまで出されてきたデータの間誤差要因の解明を基にUNESCO-IOClntergovernmental Oceanographic Committee/SCORScientific Committee on Oceanographic Research-JGOFSJoint Global Ocean Flux StudyCO2 Advisory Panelによる海洋二酸化炭素データベース化にむけて、世界のデータの整合性を検討する。特に、海外の研究機関と協力し、プールを用いた大規模な相互比較実験を行なう。また、現場の海水等を用いた実際に近い状態での参照試料を作成し共同分析実験を行なう。

 観測としては、太平洋域での定期船観測を利用した二酸化炭素分圧測定や親潮域や黒潮域での個別測を継続する事によって、広範囲で高密度な海域の観測データを蓄積し、総合的な解析を行なう。

 一方では、大気側から二酸化炭素の同位体、酸素濃度変化などを用いて、海洋と大気の間の二酸化炭素の出入りを調べ、かつモデルを通して地球規模的な二酸化炭素の収支を見積もり、海洋からのデータと比較検討し、お互いの精度について議論する。

 

3.研究の内容・成果

(1)海洋表層二酸化炭素分圧測定の高度化に関する研究

 〜ゾCO2分圧測定装置の開発改良と測定法間誤差要因の解明

 海洋のCO2吸収現象を定量化する方法の一つが、海洋表層のガス交換を測定する方法で、海水/大気のCO2濃度差と気象、海象から、その海域でのCO2吸収量を見積る。世界各国で、主に調査船を用いたCO2分圧測定が行われている。各機関の観測結果を相互利用して全海洋のCO2交換を把握するためには、それぞれの機関が比較に耐え得る正確さで測定を行わなくてはならない。本課題では、大型室内海水プールを利用した相互比較実験を1998年に行なった。10式の測定装置の比較運転結果は±2ppm以内で一致した。これを踏まえ、バブリング平衡器とミキサー型平衡器を直列にしたタンデム平衡器を考案した。1999年にこれまで用いてきたバブリング平衡器とタンデム平衡器との厳密な比較の結果、バブリング平衡器が系統的に低い値(0.08%)を与えることがわかった。

 この新型の平衡器を用いた装置の実用化実験を踏まえ、最先端の貨物船搭載型海水中二酸化炭素分圧測定システムを設計した。2台のタンデム平衡器と2系統の検出系を備えたシステムであり、交互にキャリブレーションを行うことにより、データ欠落時間帯のない完全連続観測システムとなった。実際の船上の条件で、2システムの機差を求めた。その結果、室内海水プールで得られるような理想的条件と近い良い結果が得られた。実際の運用条件で、0.3μatm程度の機差で観測が継続されるようになった。以前のバブリング平衡器によるデータの整合性を計るために、プールでの実験結果を適用したところ、同時に測定していたシャワー方式のデータと一致度が上がり、1997年以降の観測データの信頼性が飛躍的に向上した。

◆〜潅沙澄Ε▲襯リ度の測定法間誤差要因の解明

 海洋の二酸化炭素吸収速度を評価する最も直接的な方法は、海水中の二酸化炭素濃度を測定して、その年々変動を検出することである。海水中の二酸化炭素濃度はおよそ2000μmol/kgであり、二酸化炭素を吸収することで毎年増加する量は表面海水でおよそ2μmol/kg/年であるため、0.1%の精度、正確さで測定を行わなければならない。しかしながら、上記のような0.1%の測定精度は現在開発されている測定方法で出せる限界に近く、研究機関ごとの微妙な方法の差違により有意な測定誤差が生じる可能性は否定できない。本研究では、主に太平洋の海水中の全炭酸とアルカリ度の測定を行っている研究機関(国内5機関、国外5機関)の間で1999年と2000年の二回にわたって相互検定を行った。全炭酸は各研究機関とも高精度な分析を行っているが、初年度は報告値に系統的な差違があった。これは検定方法の問題とみられる。次年度には改善され、ほぼ目標の範囲内に収まった。アルカリ度については、初年度はばらつきが大きく測定方法に問題を残していたが、次年度には改善され、参照物質の保証値を用いて補正することでほぼ目標の範囲内に収まった。いずれの測定でも、変動要因をキャンセルするために、試料と同時に参照物質を随時測定することが推奨された。

 

(2)海洋表層CO2分圧と海洋パラメーターの定量化に関する研究

 海洋表層CO2分圧を用いた二酸化炭素交換量を予測するために、各種の方法が検討されているが、ここでは特にインバースモデル計算を用いた検討を行なった。基礎的な検討のために、海洋と大気が交換する二酸化炭素を高橋らの海洋表層二酸化炭素分圧と気象データから再計算された海上の10mの高さの海上風速を用いて計算しなおしたところ、海洋の吸収量は1Pgとなり、現在考えられている海洋吸収量(2Pg)より小さい値となった。この結果から、現時点で編集されている二酸化炭素分圧差のデータにも問題があるかもしれないことが示唆された。これと関連し、国際的な逆解き問題の活動に参加し陸域、海域の地域的な二酸化炭素の吸収量を求めた。全体の傾向として、海洋の特に南半球の吸収量がこれまでの推定値では大きすぎるとの結果が出た。

 本課題での研究領域である北太平洋北緯15度以北における平均的な大気から海洋への二酸化炭素のフラックスを海洋表層CO2分圧と風速から求めると0.35PgC/yrとなった。一方、大気のCO2濃度と大気輸送モデルから解くと0.30PgC/yrとなった。これは高橋が求めた0.45PgC/yrよりやや小さい。この精度を上げるために必要なことは冬季北太平洋北緯40度から45度付近の分圧を精度良く求めることと、沿岸域での分圧差のデータセットを作成することと考えられる。

 

(3)表層炭酸物質の変動と海洋生物生産の影響に関する研究

 19971月、5月、8月、19984月および19993月と11月に三陸沖東経144°を中心とする黒潮域から親潮域にかけて表層の炭酸ガス分圧(pCO2)の連続分布調査を行い、季節変動要因を検討した。1月と3月はpCO2は水温と逆相関、5月と8月は正相関、11月は15℃を中心に低温部で逆相関、高温部で正相関、4月は関係が見られない結果が得られた。冬季の鉛直混合によるpCO2の高い水の表層への供給、親潮域のブルーミングおよび春季から夏季の栄養塩の枯渇がpCO2濃度変化の要因と考えられた。栄養塩とpCO2の関係では冬季から春季にかけて硝酸塩が1μM減少するとpCO210ppm減少する関係が見られた。15および8月の全炭酸とpCO2の関係を調べると、1月と8月では良い関係が見られたが、5月には見られなかった。同じ海水のpCO2の季節変化要因を検討すると、冬季から春季は主として植物プランクトンの増殖によりpCO2は減少し、春季から夏季は水温が上昇するにもかかわらず全炭酸の減少によってpCO2は大きく上昇しないことが示されたが、この時期は栄養塩は枯渇しているので、全炭酸の減少要因を明らかにすることが今後の課題となる。最後に、水温、全炭酸およびアルカリ度の季節変化からpCO2の変化を予測すると10%の精度で予測することが示された。

 親潮域および混合水域ではpCO2と水温、水温と硝酸塩濃度は良い相関を示した。塩分と水温も良い相関を示したので、同一塩分の水温の15および8月の季節変化から同一塩分のpCO2変化と硝酸塩濃度変化を求めたところ、1月から5月にかけてのpCO2の減少と硝酸塩濃度の減少との関係はほぼ等しい値(△pCO2/△硝酸塩=10)となり、この間のpCO2の減少は光合成によることが明らかにされた。水温と硝酸塩濃度との相関を各月で明らかにすることにより硝酸塩濃度の減少量を見積もることにより、冬から春にかけてのpCO2の減少をリモートセンシングの水温情報から推定できる可能性を示した。春から夏にかけてpCO2は増加するが、予測手法はまだ確立していない。

 

(4)高頻度観測データを利用した北太平洋域の海洋表層CO2分圧の時空間分布のモデル化に関する研究

 国立環境研究所地球環境研究センターで行っている定期貨物船による北太平洋高緯度域の二酸化炭素分圧(pCO2)観測データを解析した。1995年から1999年までの4年間のデータ集積によって、北緯34度以北の北太平洋全域について、pCO2の季節変化を求めることができた。これによると、海域により海水−大気のCO2フガシティ差(△fCO2)は、本州東方海域で、春と秋に低下が見られたが、千島、カムチャッカ半島沖の西部亜寒帯亜循環海域とベーリング海域では、3月に最大9月に最小となる季節変化が観測された。これに対し、東部の北太平洋高緯度海域では季節変化が小さく△fCO2はゼロないしわずかにマイナスであった。北太平洋中央部では、5月に最大11月に最小の季節変化が水温変化によって現れることがわかった。全季節を平均すると、亜寒帯循環の北の縁辺で、正味の放出があり、それ以外の地域では吸収があることがわかった。衛星観測による海面風速データを組み合わせることで、この海域による二酸化炭素の正味吸収量を計算した。その結果、年間0.24Gtの炭素の吸収があることが推定された。

 これらの、pCO2の変動を栄養塩から解析すると、温度補償したpCO2と硝酸が海域によらず良い相関があることがわかった。このことは、春から夏にかけての生物生産と冬の鉛直混合が高緯度北太平洋のpCO2の季節変化を作り出していることを示した。

 

(5)大気、海洋のCO2の同位体測定及び酸素/窒素比測定による炭素循環の解明に関する研究

 大気中の二酸化炭素の収支を求めることは、二酸化炭素の濃度トレンドを予測する上に重要である。本研究では、海洋上バックグラウンド大気での炭素同位体比や酸素濃度変化の長期間変動観測を行い、その挙動より二酸化炭素の収支について議論を行なった。二酸化炭素の炭素同位体比は二酸化炭素の取り込み時の同位体効果の差が、酸素濃度は、陸上生物圏と海洋との二酸化炭素吸収時の酸素放出量の差が大気中に現れてくる。本研究では定期貨物船を用いた二酸化炭素のボトルサンプリングおよび波照間島および落石岬にある地上モニタリングステーションでの酸素用大気試料のボトルサンプリングを行い、研究期間(1996-2000)での観測を試みた。

 貨物船航路で得られた炭素同位体比の変動からは、1997-1998にシンクの減少が見られ大気中二酸化炭素濃度が増加した(増加速度約3ppm/年)。これにあわせて、炭素同位体比は減少し、その減少速度から陸上植物の吸収量が減少したことが示唆された。この時期は、エルニーニョの時期に合致し、このときに陸上生態系から二酸化炭素が通常より多く放出され、正味の放出源になっていたことが推定される。その後同位体比の減少は少なくなり海洋の吸収量の減少が示唆された。この時期はラニーニャの時期にあたり、海洋から二酸化炭素が放出されていたことを示唆した。この後、陸上生態系の吸収が回復し、さらに海洋の吸収が回復していくようであった。

 波照間モニタリングステーションで採取された大気試料の約3年間(19977月から20006月)の観測結果から、酸素濃度が年間約3.7ppmの割合で減少していることがわかった。同時期のCO2の増加率の観測値や化石燃料起源のCO2の放出量の推定値等を用いて計算すると、陸上生物圏が年間1.5±1.0GtC、海洋が0.9±1.1GtCの炭素を吸収したことになった。同位体比の変動を同時期に限って見るとそのグローバルな変化率は−0.035パーミルとなり、これから概略陸上植物と海洋が同程度吸収していることが推定された。従って、両者には大きな矛盾は無いものの、酸素のデータは波照間のような北半球の中緯度の観測から得られた結果であることを反映しているのか、陸上植物の吸収量が見かけ上大きく見える結果となった。

 このように、同位体比と酸素の観測は、海洋や陸上植物による二酸化炭素吸収の変動を示すパラメータとして有効であることが本研究からわかった。今後、観測を継続、広域化することでより詳しい解析がなされると考えられた。

 

(6)アジア−太平洋地域の大気二酸化炭素等の観測に関する日豪共同研究

 二酸化炭素等の収支に関する大気成分の分析には、絶対精度が常に要求されている。特に、大気中の二酸化炭素の同位体比測定はその変動が少ないため、高精度なデータが要求されているが、これまでの各研究機関間の同位体比のデータは系統的なギャップがある事が知られている。これらの観測値について、世界のデータを統合していくためには、データの系統的なずれやその時間変化などの原因やそれを取り除くための手段を開発しなければならない。本研究では、オーストラリアを含むアジア太平洋域8カ国の同位体比を測定している研究者によるワークショップを開催し同位体比測定に関する現状や今後の相互比較実験を行なうための議論などを行なった。この中で、同位体比標準の問題とともに二酸化炭素抽出の問題さらには、質量分析計の標準と試料の相互汚染の問題、17Oの補正の計算のスキームの問題などが指摘された。これまで行なわれてきた国際的な分析比較活動は、多くの成果を生んだが、その問題点も指摘された。特に、比較実験の周期についてもっと早い周期での、国際比較が行なわれるようなしくみ(GLOBALHUBS)の提案もなされた。

 本研究では特に標準の問題を解決するために、ガスの二酸化炭素の標準の製作に力点をおいた。大気試料に非常に近い標準試料は、測定の精度の確保から有効である。ここでは、2.5リットルの二酸化炭素標準試料を調整作成し、ガラス管づめを1300本行なった。これを各研究機関に配布し、研究室相互比較実験を行なった。この結果、炭素同位体比では、0.1パーミルの範囲で結果がそろっていることがわかったが、酸素同位体比では0.3パーミル以上のずれが見られた。この結果は、これまでの比較実験よりも良く、こういった系統的なずれの補正によって、世界のデータの統合の可能性が示された。今後、この活動を通してより多くの研究所のデータを取り、さらに実際のサンプルヘの応用することによって、有効な情報を世界に提供できると考えられた。

 

4.考察

 これまでの北太平洋を中心とした海洋の広範な観測と測定法の相互比較の努力の結果は、精度の高い海洋表層の二酸化炭素分圧の季節変化や場所的な変化をとらえることに成功した。これによると、北太平洋の高緯度帯のベーリング海近辺は年平均として二酸化炭素放出域であったが、中緯度帯の多くは年平均で吸収域であり全域の平均としては0.24Gt/yの吸収が見積もられた(1995年から1999年の平均として)。これは、高橋らが推定している吸収量に比べそれ以下と考えられる。一方インバースモデルによる計算では0.3Gt程度であり比較的一致していた。高橋らの二酸化炭素分圧と最新の海上風速データを組み合わせても0.35Gtの値となり、高橋の計算値(0.45Gt)よりも低い値となった。この結果は、データの質が異なるので評価が困難であるが、ここでの高頻度の実測が正しいとすると、海洋全体の吸収量を低いほうに修正させるかもしれない。

 一方、大気観測の結果は0.91.2Gt程度の海洋の吸収量(これまで言われている2Gtより少ない)を近年の値として見積もった。しかし、同時に同位体比の結果は、エルニーニョの前後で海洋吸収量が大きく変動したことを示唆しており、さらに細かい年変動を調べるべく、海洋のデータを再解析する必要も示唆された。特にラニーニャ時期には海洋がむしろ放出源になる可能性もあり、これまでのデータをどのように位置付けるかは今後の課題となった。

 海洋観測結果を他の海域への応用すべく、栄養塩などのデータを蓄積し、その推定方法を検討した。これまでの解析によると、硝酸塩濃度の変動が、植物プランクトンの二酸化炭素吸収を表す指標として有効であることがわかった。同時に、海洋二酸化炭素分圧の季節変化が、植物プランクトンの増殖と、冬季の海水の混合による回帰で作られていることがわかった。今後、これらの結果が他の海域に適用されていけば、グローバルなスケールでの海洋吸収量が明らかになっていくと考えられる。

 

5.研究者略歴

課題代表者:向井人史

1958年生まれ、早稲田大学理工学部卒業工学博士、現在、国立環境研究所地球環境研究グループ温暖化現象解明研究チーム主任研究員

主要論文:  Y. Tohjima, H. Mukai, S. Maksyutov, Y. Takahashi, T. Machida, M. Katsumoto, and Y. Fujinuma, Variations in atmospheric nitrous oxide observed at Hateruma monitoring station, Chemosphere-Global Change Science, 2, 435-443 (2000).

Mukai H., A. Tanaka., T. Fujii, et al., Regional Characteristics of sulfur and lead isotope ratios in the atmosphere at several Chinese urban sites, Environ. Sci. & Tech, 35, 1064-1071 (2001).

H. Mukai, Y. Yokouchi, M. Suzuki, Seasonal variation of methansulfonic acid in the atmosphere over the Oki Islands in the Sea of Japan, Atmos. Environ., 29, 1637-1648 (1995).

 

サブテーマ代表者

(1) 野尻幸宏

1956年生まれ、東京大学理学部卒業理学博士、現在、国立環境研究所地球環境研究グループ

温暖化現象解明研究チーム総合研究官

主要論文:  M. Utsumi, Y. Nojiri, T. Nakamura, T. Nozawa, A. Otsuki, N. Takamura, M. Watanabe and H. Seki, Dynamics of dissolved methane and methane oxidation in dimictic Lake Nojiri during winter, Limnol. Oceanogr., 43, 10-17 (1998).

M. Utsumi, Y. Nojiri, T. Nakamura, T. Nozawa, A. Otsuki and H. Seki, Oxidation of dissolved methane in a eutrophic, shallow lake: Lake Kasumigaura, Japan, Limnol. Oceanogr., 43, 465-470 (1998).

T. Nakamura, Y. Nojiri, M. Utsumi, T. Nozawa and A. Otsuki, Methane emission to the atmosphere and cycling in a shallow eutrophic lake, Arch.  Hydrobiol., 144, 383-407 (1999).

 

 

(1)◆Ц凝帖々

1953年生まれ、北海道大学水産学部卒業水産学博士、北海道大学助手、

現在、資源環境技術総合研究所環境影響予測部海洋環境予測研究室長

主要論文:  S. Noriki, T. Shiribiki, H. Yokomizo, K. Harada and S. Tsunogai, Copper and nickel in settling particle collected with sediment trap in the western North Pacific, Geochem. J., 31, 373-382 (1997).

K. Harada and M. Fukushima, Results of seabed disturbance experiment and bottom sediment investigation, Proc. Int. Symp. of Environ. Stud. on Deep-Sea Mining, 133-142 (1997).

K. Harada and Y. Shibamoto, Chemical characteristics of sediment in the JET site, Proc. Int. Symp. of Environ. Stud. on Deep-Sea Mining, 303-310 (1997).

 

 

(2) :原田 晃(同上)

 

(3) :佐々木克之

1942年生まれ、京都大学理学部卒業、現在、水産庁中央水産研究所海洋生産部室長

主要論文:  K. Sasaki, T. Ono, K. Tanaka, K. Kawasaki and H. Saito, Variation of the partial pressure of CO2 in surface water from Kuroshio to Oyashio and the relation of environmental factors with the partial pressure on 144°E off Sanriku, northwestern North Pacific in May, 1997, J. Oceanography, 54 59*3-603 (1998).

佐々木克之:三陸沖暖水塊における栄養塩供給と低次生産、月刊海洋、25,87-93(1992).

A. Shiomoto, K. Sasaki T. Shimoda and S. Matsumura, Primary productivity in the offshore Oyashio in the spring and summer 1990, J. Oceanogr. 50, 209-222 (1994).

 

(4) :野尻幸宏(同上)

 

(5) :向井人史(同上)