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科学技術振興調整費総合研究 「炭素循環に関するグローバルマッピングとその高度化に関する国際共同研究」‐地球表層の炭素循環メカニズムと衛星画像との接点‐[第221号]

‐第221号‐
平成13年9月3日

 近年、世界各地で異常気象やそれに伴う地球環境問題が深刻化しています。洪水・森林火災・オゾンホールの拡大などの報道に接して、私たちの将来への不安は大きくなるばかりです。地球的規模の環境問題のなかでも、地球温暖化は、気温の上昇と、それに伴う海面の上昇・気候の変化・生態系の変化などをもたらし、私たち人類にとって最も影響が大きいものです。このような背景のもと、温暖化の主要な原因物質である二酸化炭素を含む炭素の地球表層循環の実体解明は、緊急の課題として重要性を増しています。将来の私たちの生活を守るために、局地的な問題の解明のみにとらわれず、今後の動向を予測できるよう、全地球規模で炭素循環のメカニズムを解明することが緊急の課題となっています。文部科学省は平成10年度より科学技術振興調整費総合研究課題「炭素循環に関するグローバルマッピングとその高度化に関する国際共同研究」を実施してきました。この研究プログラムでは炭素循環の解明のために、異なる分野の研究者が様々な角度から研究を進めてきました。本研究は1期3年間(平成10年度~12年度)、2期2年間(平成13年度~14年度)の研究プログラムとして行っていますが、1期の成果の一つとして、一次生産(植物による二酸化炭素吸収量)の全地球規模のマップを作成することができたのでここに報告いたします。

問い合わせ先
研究開発局海洋地球課
専門官 小田啓邦
電話:03‐5253‐4145(直通)
03‐5253‐4111(内7722)

平成13年9月3日
文部科学省

科学技術振興調整費総合研究 「炭素循環に関するグローバルマッピングとその高度化に関する国際共同研究」 ‐地球表層の炭素循環メカニズムと衛星画像との接点‐

はじめに

 近年、世界各地で異常気象やそれに伴う地球環境問題が深刻化しています。洪水・森林火災・オゾンホールの拡大などの報道に接して、私たちの将来への不安は大きくなるばかりです。地球的規模の環境問題のなかでも、地球温暖化は、気温の上昇と、それに伴う海面の上昇、気候の変化や生態系の変化などをもたらし、私たち人類にとって最も影響が大きいものです。このような背景のもと、温暖化の主要な原因物質である二酸化炭素を含む炭素の地球表層循環の実体解明は、緊急の課題として重要性を増しています。将来の私たちの生活を守るために、局地的な問題の解明のみにとらわれず、今後の動向を予測できるよう、全地球規模で炭素循環のメカニズムを解明することが緊急の課題となっています。文部科学省は平成10年度より科学技術振興調整費総合研究課題「炭素循環に関するグローバルマッピングとその高度化に関する国際共同研究」を実施してきました。この研究プログラムでは炭素循環の解明のために、異なる分野の研究者が様々な角度から研究を進めてきました。本研究成果の一つとして、一次生産の全地球規模のマップを作成することができたのでここに報告いたします。
 本研究プログラムは主として2つの柱からなります。ひとつは、陸・海それぞれで実地での調査・観測に基づいた炭素循環の研究を行い、詳しいメカニズムの解明を目指しています。もうひとつは、新世代高精度サンサーを搭載した衛星データを利用して全球マッピングを行っています。日本が開発した地球観測プラットホーム技術衛星「みどり」(ADEOS)には海洋の一次生産を支えるクロロフィル量を測定する海色海温走査放射計(OCTS)が搭載されており、8ヶ月分のデータ解析を行うことができました。その後、同等の能力をもつSeaWiFSというセンサーから得られる衛星データを用いて全地球規模で一次生産のマッピングを行ってきた結果、平成12年度末の第1期の終了時に1998年(平成10年)の毎月の全球一次生産マップが完成しました。
 これまで、狭い地域や海域、植生ごとの一次生産については様々な方面から研究されてきました。しかしながら、地球全体での一次生産の分布、特に海と陸を統合して同一尺度で全球の一次生産の図を作った例はこれまでほとんどありませんでした。今回の結果により(図1、図2)、海と陸の両方について、毎月変化する気温、日射量、降水量などに呼応して、全球レベルで一次生産がどのように変化しているのかが一目瞭然となりました。これをもとに、「どの時期に地球上のどこが最も盛んに光合成を行っているのか?」あるいは「ある地域で森林伐採をすると、全球の一次生産にどの程度の影響を及ぼすのか?」といった疑問にもこたえられるようになりました。今後は、一次生産量データの精度を向上させるとともに、エルニーニョ・南方振動といった周期的な気候変動と一次生産がどのような関係をもっているのかを解析してゆく予定です。

研究内容の解説

1.なぜ、一次生産の測定が重要か?

 海洋を例にとってみると、海洋表層で植物プランクトンの光合成により二酸化炭素から固定される炭素量は一次生産と呼ばれ、この炭素量は現在の海洋で1年間で約 50 Gt(ギガトン:1ギガトン=(イコール)10億トン)と推定されています。いっぽう、陸の一次生産量は1年あたり約60 Gtと推定されています。海と陸をあわせた一年間の一次生産量は化石燃料の燃焼で一年間に放出される二酸化炭素に含まれる炭素量の約20倍にも達していると推定されています。したがって、生物による炭素の固定量を把握することは非常に重要です。

2.海における一次生産の推定

 海における一次生産は、主に植物プランクトンによって行われています。人工衛星の可視近赤外スペクトルデータからクロロフィル量および一次生産を推定することができますが(図3)、海洋で活動するプランクトンの実測データと比較検証することが必要です。現在、世界中で検証に用いることのできるデータは大西洋とアメリカ合衆国周辺あわせて1700点程ありますが、西太平洋では非常に限られています。そこで、本プログラムでは地球観測船「みらい」を使用して一次生産の観測データを集めています。本プログラム終了時には日本周辺を含む西太平洋で200点以上のデータが蓄積される予定です(図4)。これらのデータは、衛星データの検証に用いられます。海の一次生産は、基本的に、プランクトンの量と深度分布、水温および太陽光の照度に依存します。表層海水中にプランクトンが多いと、それが影となって深い所まで太陽光が届かないことがあります。本プロジェクトでは、このようなことも考慮して、深度別一次生産モデルを開発しました。その結果を、実際に赤道域で観測したところ、両者はよく一致していました。

3.陸における一次生産の推定

 人工衛星の可視近赤外スペクトルデータから、クロロフィルによる太陽光エネルギーの吸収を見積もることができ、単位面積あたりの有効なクロロフィル量が推定されます。また、雲によって遮ぎられる分も考慮して計算した日射量のデータベースが公開されており、クロロフィル量と日射量を掛け算することで実際に植物が吸収する光エネルギー量を求めることができます(図5)。この量と、実際に地上で観測した一年間の植物の生長量(一次生産)は比例関係にありますが、この傾きから植物が太陽光エネルギーを炭素に変換する変換効率を求めることができます。この変換効率を使うと、地上観測を行っていない地点についても、人工衛星データと日照量から一次生産の推定を行うことが可能となります。しかしながら、植物の変換効率は、植物の種類、気温および土壌水分によっても影響されます。また、植物があまり生えていない地域では、地面の色の影響を補正する必要があります。本プロジェクトでは、これらの点を考慮してNOAA衛星のAVHRRデータから陸の一次生産を推定する計算方法を新たに開発しました。実際に中国大陸に分布する大規模な森林地帯で一次生産を測定するとともに衛星データから推定された値を比較したところ、概ね一致することがわかりました。

4.全球マッピング

 上述した方法で作成した1998年の全球一次生産マップにより、海と陸の両方について毎月変化する気温温度、日射量、降水量などに呼応して、地球全体で一次生産がどのように変化しているのかが明らかとなりました。例えば、このマップによって、海域では沿岸域、および太平洋では東の赤道域で一次生産が高く、ハワイなどの亜熱帯域では一次生産が低いことが確認されました(図1)。一方、陸域では、冬(1月;北半球の冬、以下同様)には南米・オーストラリア・アフリカ南部で一次生産が高く、春(4月)になるにつれて北半球で一次生産が徐々に増加していくこと、夏場(7月)には北緯50度付近で一次生産が最も高くなることがわかりました(図2)。また、アマゾンやアフリカの中部の熱帯雨林域では年間を通じて一次生産が高いこと、砂漠地帯ではほとんど生物生産がないことをよく示しています(図1)。

5.気候変動と海洋環境

 東赤道太平洋の表層水が通常より温かくなる現象はエルニーニョと呼ばれ、通常より冷たくなる現象はラニーニャと呼ばれ、これらは全体としてエルニーニョ・南方振動という数年周期の気候変動として知られています。エルニーニョ・南方振動は、東アジアや遠く北米大陸にも大きな影響を及ぼすことがわかってきました。しかしながら、これら周期的気候変動と炭素循環の間の因果関係については未だよくわかっていません。そこで、このような気候変動によって全地球規模で一次生産がどのように変化するのかを調べています。
 海洋においては、衛星で上空からクロロフィルなどの色素を観測することで、植物プランクトンによって大気中から除去される炭素量(一次生産)を求めます。それと同時に、海洋表層から下に落ちるプランクトンを採取する装置(セジメントトラップ)を海中に係留し、観測船が調査海域を離れている間も自動的に継続して試料採取を行っています(図6)。セジメントトラップを使うと、表層でプランクトンにより生産された有機物がどの程度の深さまで運搬されるのか、また、どのようなプランクトンがいるのかを調べることができます。これまでの研究成果によって、エルニーニョ時の一次生産は、西赤道太平洋では増加し、中部赤道太平洋では減少することがわかってきました。これは、エルニーニョ・南方振動によって赤道域の海水が大規模に東西方向に移動しているためと考えられます。本プログラムの第2期の終了時にはこのような周期的気候変動と一次生産・炭素循環との関係の理解がさらに進むと期待されます。

6.気候変動と陸域環境

 全球大気大循環モデルを用いた予測では、急速に温暖化が進み2050年頃までには地上気温が全球平均で2℃程度上昇するとされています。この結果、植物の生育域は緯度方向へ200~300キロメートル、垂直方向へ約600メートル移動すると予測されています。この気温の変化によって、対応しきれずに絶滅する種も現れると予測されています。また、温暖化に伴い、耕作適地が移動して耕作放棄地が生じるいっぽう、高緯度地域では土壌生成が遅いために高緯度地域への耕地の拡大は難しいとの見方もあります。すでに温暖化のせいで、温帯・亜寒帯で植物の生育期間が長くなってきたことが指摘されていて、これは一次生産にプラスに作用すると考えられます。しかし、温暖化は広域で干ばつや豪雨をもたらすため、大規模な山火事の頻発化や農作物の収穫に打撃を与えるなどマイナスの効果も現れています。温暖化するとエルニーニョ状態の頻度が高くなると言われています。たとえばエルニーニョになると、西赤道太平洋やオーストラリアでは干ばつになります。数年前のインドネシアにおける森林火災の原因の一部もこの乾燥にあります。また、エルニーニョ時には、南米や中米では洪水になります。

7.本研究プログラムと国際共同研究

 本研究プログラムは全球を対象として研究するとともに、精査域での精密なプロセス研究(メカニズムの解明)を併せて行うために、外国の研究機関と共同研究を実施しています。たとえば、海洋ではオーストラリアと、陸では中国・タイなどと共同して調査を実施しています。国際プログラムとの関係では、地球圏ー生物圏国際協同研究計画(IGBP;International Geosphere‐Biosphere Programme)およびそのサブプログラムであるJGOFS(Joint Global Ocean Flux Study;全球海洋フラックス合同研究計画)・PAGES(Past Global Changes;古環境の変遷研究計画)・GCTE/TEMA(Global Change Impacts on Terrestrial Ecosystems in Monsoon Asia;気候変化の陸域生態系への影響とフィードバック)・DIS(Data and Information Systems;データ情報システム)への貢献も期待されています。

語句説明

一次生産

 植物は根から水や養分を吸収し、葉から二酸化炭素をとりいれて、太陽光のエネルギーで光合成をして炭素化合物を作ります。これは、葉が増えたり、茎が太くなったり、実をつけたりするのに使われます。このようにして、大気中の二酸化炭素は吸収されて植物の体の一部となります。一方、植物は常時呼吸をしており、特に夜間には光合成が行われないため、日中に生産された炭素化合物が分解して二酸化炭素が作りだされます。一次生産とは、光合成によって固定された炭素量から呼吸によって消費された炭素量を差し引いた炭素量のことです。一日を通じてみると、通常光合成の量は呼吸量を上回っているので、植物が活動することによって、大気中の二酸化炭素濃度は減少し、一次生産はプラスの値になります。一年間の一次生産量は大気中に二酸化炭素として存在している炭素量の5分の1程度と大きいため、一次生産を把握することは全球の炭素循環を考える上で、非常に重要な課題と考えられています。海洋の場合には、このような光合成は植物プランクトンによって活発に行われています。

地球観測プラットホーム技術衛星「みどり」(ADEOS;Advanced Earth Observing Satellite)

 地球温暖化・オゾン層の破壊・熱帯雨林の減少・異常気象の発生等の環境変化に対応し、全地球規模での観測を行う目的で、平成8年8月に宇宙開発事業団によって打ち上げられ、約10ヶ月間運用されました。

海色海温走査放射計 (OCTS; Ocean Color and Temperature Scanner)

 1978年に打ち上げられたCZCS (Coastal Zone Color Scanner)の観測ミッションを引き継ぐもので、地球観測プラットホーム技術衛星「みどり」に搭載されました。可視近赤外域 8バンド、赤外域 4バンドの観測波長をもった光学センサーで、地表分解能約700メートル、幅1400キロメートルで測定をするため、海洋に比べて不均質な沿岸域及び陸域への適用も考慮されています。クロロフィル濃度・浮遊物・溶存物(可視近赤外域)及び水温(赤外域)の把握を行うことによって、一次生産及び二酸化炭素の循環の把握・環境モニター等に利用されました。

SeaWiFS

 米国の観測衛星SeaStarに搭載されている地球環境観測センサー。可視近赤外域8バンドの観測波長をもった光学センサーで、地表分解能約1.1キロメートル、幅 2800キロメートルで測定します。

AVHRR

 米国の気象衛星NOAAシリーズに登載されているセンサー。可視域1バンド、近赤外1バンド、熱赤外3バンドを地上分解能約1キロメートルで観測します。雲観測を主たる目的としてデザインされましたが、1980年代半ばに陸域植生解析に有効なことが実証され、頻繁に植生解析に利用されるようになりました。1980年以降、全球データが作成されていて、陸域植生の長期モニタリングが可能です。

エルニーニョ・南方振動

 エルニーニョ・南方振動(ENSO; El Nino Southern Oscilation)は周期的気候・海洋環境変動の一例として知られています。エルニーニョ現象とは東部赤道太平洋域一帯の海面水温が異常に高くなる現象を指し、ラニーニャ現象は東部赤道太平洋域一帯の海面水温が通常より低くなる現象を指しています。エルニーニョ時には、通常西赤道太平洋にある暖水塊が東に移動、多雨域も暖水塊に伴って中部太平洋域に移動して表層水温が上昇します。エルニーニョ時には、通常は東南太平洋に位置する高気圧が弱まりますが、この気圧の変動現象を南方振動と呼びます。東南太平洋の高気圧(風の吹き出し)が弱まると、西赤道太平洋の暖水塊を西側に押さえている東南貿易風が弱まり、東部赤道太平洋域の海面水温が高くなると考えることができます。エルニーニョ・ラニーニャ現象と南方振動は互いに密接にかかわっていることがわかり、2つの現象をあわせてエルニーニョ・南方振動と呼ぶようになりました。

地球圏ー生物圏国際協同研究計画

 英語名International Geosphere‐Biosphere Programme(IGBP)として知られる国際プログラムで国際学術会議主導のもと行われています。事務局はストックホルムにあり、運営経費は参加国が分担して拠出しています。JGOFS(Joint Global Ocean Flux Study;全球海洋フラックス合同研究計画)・PAGES(Past Global Changes;古環境の変遷研究計画)・GCTE/TEMA(Global Change Impacts on Terrestrial Ecosystems in Monsoon Asia;気候変化の陸域生態系への影響とフィードバック)・DIS(Data and Information Systems;データ情報システム)をはじめ多数のプロジェクトが連動して活動しています。主な研究成果としては、「物質循環と海洋生態系に関する研究」「陸域生態系と水循環に関する研究」「古環境変動に関する研究」「地球環境に係わる人間活動の影響評価に関する研究」等があげられます。2001年のIGBP科学会議は7月10~13日にアムステルダムで開かれました。

地球観測船「みらい」

 海洋科学技術センターの保有する地球観測船。平成9年9月から北極海域をはじめとして世界中の海洋観測データを集めています。運用は、研究課題を公募・審査して共同利用として行い、観測データは一定期間経過後に一般公開することとなっています。

説明図のリスト

年平均一次生産力
図1.1998年の一年間平均の一次生産力分布を示します。一次生産力は、mgC・m‐2・day‐1により表現し、単位時間・単位面積当りの炭素の固定能力を示します。0から5000mgC・m‐2・day‐1の一次生産力について濃紺から赤色まで配色しました。

月平均一次生産力分布図
図2.1998年の1月(冬)、4月(春)、7月(夏)、11月(秋)の一次生産力の分布を示します。配色は年平均一次生産力分布図と同じです。

クロロフィル量と一次生産の検証の模式図
図3.クロロフィル量と一次生産の検証の模式図。通常、クロロフィル量は深度によって異なります。一次生産は、クロロフィル量、光強度、水温、栄養塩によって支配されているので、これらの因子の水深による変化を推定する必要があります。生成された有機物の一部は沈降粒子となって下方に除去されます。

図4
図4.衛星データの検証のために、今までデータの少なかった日本周辺海域(親潮水域、北海道周辺海域、鹿島灘沖、黒潮水域、東シナ海)および西太平洋赤道域において、一次生産速度の現場測定を行いました。一次生産計算方法を検証するデータベースには、現在1700件の公開データがありますが、本プロジェクト終了時には日本周辺海域だけで200点以上のデータが取得される予定です。

陸域の炭素循環研究の概要
図5.人工衛星データ(右)と地上における実測値(左)から全球の一次生産力を推定します。

図6
図6.衛星は約1~3日で同じ所に戻ってきます。また、海の表層からどの位の炭素が深層に除去されて(沈降して)いるのかを調べるためには直接物質を測定する必要があります。両者を組み合わせることにより、海洋表層をモニタリングすることができます。それにより、炭素の除去が時間とともにどのように変化しているのかが、明らかとなります。

(参考)参加研究機関

国立機関

  • 国土交通省気象庁気象研究所
  • 国土交通省海上保安庁水路部

独立行政法人

  • 産業技術総合研究所(研究代表者 川幡穂高)
  • 森林総合研究所
  • 農業環境技術研究所
  • 水産総合研究センター
  • 放射線医学総合研究所
  • 国立環境研究所

大学

  • 北海道大学低温科学研究所/大学院地球環境科学研究科/農学部
  • 東北大学大学院理学研究科
  • 筑波大学生物科学系
  • 千葉大学環境リモートセンシング研究センター
  • 東京大学大学院農学生命科学研究科
  • 東海大学海洋学部
  • 静岡大学理学部
  • 岐阜大学流域環境研究センター
  • 名古屋大学大学院環境学研究科
  • 九州大学理学部
  • 熊本大学大学院自然科学研究科

民間等

  • 海洋科学技術センター
  • 宇宙開発事業団
  • 社団法人 資源協会 地球科学技術推進機構
  • 株式会社 関西総合環境センター

お問合せ先

研究開発局海洋地球課

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