海洋大気エアロゾルの挙動と 組成変動に関する地球 - 日本地球化学会

0
8(2
0
0
5)
地 球 化 学 3
9,1
9
7―2
0
8(2
0
0
5)
Chikyukagaku(Geochemistry)3
9,1
9
7―2
2004年度日本地球化学会賞受賞記念論文
海洋大気エアロゾルの挙動と
組成変動に関する地球化学的研究
植 松 光 夫*
(2
0
0
5年9月1
3日受付,2
0
0
5年1
0月2
6日受理)
Geochemical studies on the variability of chemical composition and
behavior of marine atmospheric aerosols
Mitsuo UEMATSU *
*
Ocean Research Institute, The University of Tokyo,
1-15-1 Minamidai, Nakano-ku, Tokyo 164-8639, Japan
The biogeochemical interactions and feedbacks between the ocean and the atmosphere affect and are affected by climate and environmental changes. I have been studying the variability of chemical composition and behavior of marine atmospheric aerosols from the biogeochemical point of view since the early 1980’s. My contributions to our understanding of atmospheric
aerosol processes are reviewed here: Anthropogenic and mineral dust aerosols from the Asian
continent are found to be transported over the large area of the North Pacific Ocean and to affect the global radiation budget and climate. Atmospheric transport of the aerosols, their chemical and physical interactions and scavenging processes within the marine boundary layer are
explained in detail. The impact of atmospheric deposition flux over the sea surface is also found
to strongly influence chemical and biological processes in water column and affect rates of marine biological activities. Marine aerosol properties are suggested to be altered by feedbacks
from marine biological processes. To achieve the quantitative understanding of the linkages
among the ocean, the atmosphere and climate, it is necessary to collaborate with groups of marine biology, physical oceanography, meteorology and modeling.
Finally, I am indeed honored to have been selected to receive the 2004 Geochemical Society
of Japan Award.
Key words: marine atmosphere, aerosol, mineral dust, anthropogenic materials, atmospheric
transport
1.は じ め に
耳慣れないものだった。1
9
8
7年に Global を冠した学
術雑誌が米国で出版されるに至った。その頃までは,
グローバルという言葉が多くの研究者に使われるよ
海洋においても大気においても,地球規模というと,
うになったのは,1
9
8
0年代に入ってからではないだろ
広大な外洋域での研究であり,人為起源の直接的影響
うか。その頃まで地球規模の物質循環を対象とした研
のないとされるようなバックグラウンド大気中での研
究は,少数の研究グループによってしか取り組まれて
究であると考えられていた。地域規模での研究は,海
いなかったと記憶している。グローバルという単語も
洋においては沿岸域や湾での観測などであり,大気に
*
おいては都市大気の発生源と拡散などというスケール
東京大学海洋研究所
〒1
6
4―8
6
3
9 東京都中野区南台1―1
5―1
E-mail:uematsu@ori.u-tokyo.ac.jp
で,個々の事象がそれぞれ独立して取り上げられてい
た。その結果,地域的な研究成果は国際的な関心を集
198
植
松
光
夫
めることが極めて難しい時代であったかもしれない。
るように感じる。新しい分析装置を使って,誰も測っ
いまや地域で起こることは地域だけの問題ではな
たことのない成分や超微量成分を測定するというアプ
く,地球規模の問題へとつながり,また逆に地球規模
ローチも魅力的だ。だが学生実験でも十分測定可能な
での変化が地域に大きな影響を及ぼすというリンケー
主要成分を,誰も採取できないような場所や時間ス
ジの存在が認識され始めた。例えば,大気汚染問題に
ケールで測定し,自然現象を解き明かす手法もひとつ
ついて,日本はいち早く実態把握とその改善に努力を
のやり方である。大気中で生じる化学的な反応だけで
払い,酸性雨問題とともに対処して来た。当時,都市
は説明のつかない自然現象に,私は取り組んできたよ
域の大気環境ということを中心に,観測や対策が講じ
うに思う。本稿では,普段論文では書けない話題も入
られたが,しだいに都道府県の境を越え,さらに国を
れて記述することにした。
越えての越境大気汚染,今や大洋を挟んだ大陸間での
長距離大気汚染が取り沙汰されるようになった。
大気中で物質のもっとも顕著な長距離輸送の例は,
2.大気を通して海洋へ輸送される陸起源
物質
陸上の人類活動から大気に放出された二酸化炭素が挙
私は1
9
8
0年3月に,海洋における鉄,マンガン,ア
げられる。大気中の二酸化炭素の寿命は5
0∼2
0
0年と
ルミニウムの挙動についての研究で,北海道大学から
見積られており,全球の大気中二酸化炭素濃度が季節
水産学博士を授与された。海水中の懸濁粒子や沈降粒
変動を伴いながら,年々増加しているのは周知のとお
子中の地殻起源の元素を測定し,深さとともに鉄やマ
りである。しかし,北太平洋亜熱帯海域のマーシャル
ンガンが粒子に濃縮され,フラックスが増加すること
諸島周辺で行われた核実験は,発生源周辺域に影響を
や,海底から底層水へのマンガンの溶出量などを定量
与えるだけのものと信じられており,大気物質が地球
的 に 議 論 し た(Tsunogai
規模での放射能汚染を引き起こすとは想像もしていな
Tsunogai et al., 1980; Tsunogai et al., 1982;
かった。エアロゾルに関しては,その平均滞留時間も
Uematsu and Tsunogai, 1983)
。修士2年の頃,修了
and
Uematsu,
1978;
数日のオーダーであるため,1
9
8
0年以前には,ほとん
後に一年ぐらい留学したいと思った。これはと感じた
ど誰も地球規模で拡散しているとは考えていなかった
米国の研究者達に手紙を出し,断られはしたが,誠実
のだろう。
な返事を何人かからいただいた。そんなこともあっ
大気で生じる現象は,例えば,毎年日本周辺を脅か
て,日本で研究者としての免許である博士号を取って
す台風のように,規模,発生頻度,経路など大きく異
からだと考え直した。いよいよ学位論文もまとまりつ
なり,各台風に名前が付けられるくらい個性的で,一
つあった1
9
7
8年に,米国 NSF,NOAA,ONR が中心
過性のものであり,再現性に乏しい。海の上での大
となって,海洋化学分野で新しく学位を取る予定者と
気,特に海面から1∼2km までの海洋大気境界層内
取得直後の者を集めて第1回 DISCO(Dissertations
でのエアロゾルが,どんな化学組成を持って,どのよ
Symposium on Chemical Oceanography)シンポジ
うに挙動をしているのか,また,それはいったい何に
ウムが開催されることになり,名古屋大学の田上英一
よって左右されているのだろうか。
郎さんと応募したところ,2人一緒に招待された。米
地球表面の3分の2を占める海洋上での大気化学研
国側からは日本に一番近いハワイから開催地のマイア
究は,船舶,航空機,離島を用いる極めて限られた条
ミまでの旅費を,研究室では日本で一番離れている沖
件での野外調査が必要であり,平均滞留時間の短いエ
縄へ行く援助ということで,渡航旅費をなんとか捻出
アロゾルの時空間的変動は,陸上域ほどよく知られて
していただいた。今の妻である彼女に見送られて,羽
いない。降水現象や海霧の中では,当然エアロゾルの
田空港から中華航空で飛び立った記憶がある。シンポ
化学組成も濃度も変化する。そんな中で,海洋大気エ
ジウム終了後,米国東海岸を北上し,Skidaway Insti-
アロゾルの平均的な時空間的変動を描くためには,と
tute of Oceanography, University of Maryland, Uni-
もかく,まず測ってみることから始めるしかなかっ
versity of Rhode Island, Woods Hole Oceanographic
た。
Institute の4ヵ所をポストドックとしての職探しも
振り返ってみると,なぜか私が関わるプロジェクト
や観測航海などに限って,予期せぬ自然現象が発生
し,その発見によって私の自然観が形成され続けてい
かねて訪問した。
学位取得後,URI の Bob
た SEAREX(Sea-Air
Duce 教授が中心となっ
Exchange)計画申請が NSF
海洋大気エアロゾルの挙動と組成変動に関する地球化学的研究
199
Associate として採用決定となっ
発生する砂嵐(黄砂)の鉱物粒子が,偏西風によって
た。故郷の岸和田祭りを結婚直 後 の 妻 に 見 せ た 翌
運ばれ,中緯度帯の北太平洋中央部を中心に,北は
日,1
9
8
0年9月1
6日に,2人で渡米した。研究室は,
ベーリング海,南は赤道付近まで広がっていることを
Narragansett 湾の研究船用埠頭が目の前にある Bay
明らかにした(Uematsu et al., 1983; Uematsu et al.,
を通り,Research
Campus の州立 原 子 炉 セ ン タ ー に 継 ぎ 足 さ れ た ト
1985a)
。また,海 洋 へ の 鉱 物 粒 子 沈 着 量 を 見 積 も
レーラーハウス群の個室が割り当てられた。そして2
り,北太平洋中央部の海水中を沈降する陸起源物質の
MW の研究用原子炉と4台のガンマ線測定装置が,
粒子束の大部分が,大気を通して運ばれていることを
中性子放射化分析のために,ほとんど自由に使えるこ
見い出した(Uematsu et al., 1985b)
。
とになった。
クリーンルームで,ハワイの Oahu
Island から送
Duce らは1
9
7
9年に,北太平洋のマーシャル諸島の
られてきたフィルターを1枚ずつ開いて観察すると,
Enewetak Atoll で,全く汚染されていない大気エア
本当にきれいな濃い黄土色をしているのに見とれてし
ロゾルの化学成分濃度,バックグラウンド濃度を測定
まった。しかし,他の Al 濃度の高いフィルター試料
しようと,高さ2
5m のタワーを建て,観測を開始し
の色がなぜか灰色で,その濃淡と Al 濃度と相関があ
た。夏に比べて春に鉱物粒子濃度が二桁も高く,それ
るように感じていたが,当時確かめる術はなかった。
が8,
0
0
0km も離れたアジア大陸の黄砂に由来するも
太平洋の島々で採取された全沈着物質試料は,折畳み
のだと結論した(Duce et al., 1980)
。タワー建設中に
式のプラスティック容器で送り戻される。容器の中
台風が襲い,作業が大幅に遅れ,観測が春にずれ込ん
で,種が試料水の中で芽を出してもやしのように漂っ
だことがこの発見を導いた。これがきっかけとなり,
ていたり,蜂が浮いていたりで,設置に出かけた島々
黄砂がどの季節にどこまで輸送されているのか確かめ
の風景が思い出された。現場を訪れておくという主義
るため,最終的には南北両太平洋の島嶼に観測点を設
はとても大事なことだと思う。これらの混入物のいく
けることになった(Fig.
1)。1
9
8
1年1月に,Univer-
つかは個々に放射化分析をしたが,興味ある元素につ
sity of Miami の Joe Prospero 教授のハイボリュウム
いては,ほとんど検出限界以下であった。
エアサンプラーと,私自作の全沈着物採取装置をハワ
渡 米 後,最 初 の 発 表 は SEAREX の Workshop
イに送り,そこから,Midway Island, Palau へ設置
で あ っ た。メ ン バ ー の Yale
に出かけた。Fanning Island には,自家用航空機を
Turekian 教授から,お前はドーナツの穴を見ている
持つ University of Hawaii の教授に依頼し,設置し
と一喝された。反論して発表を終わったら,1
5分の予
ていただいた。その結果,春先に頻繁にアジア大陸で
定が1時間になり,後で周囲の連中に good
University の Karl
fight と
言われ,Karl からも,ええ仕事してるでと褒められ
た。日本の研究室での議論の応酬が身に付いていたせ
いかもしれない。自分の英語が通じているのと,質問
者達の興奮気味の英語がよくわかったことに驚いてし
まった。
苦い思い出は,1
9
8
2年2月 AGU/ASLO Joint meeting で,Scripps Institution of Oceanography の Ed
Goldberg 教授の招待講演後,引き続いて発表した時
である。まだ会場は満席でぎっしり立っている聴衆の
前で,私のスライドがスタートした。スクリーンに映
し出された映像は順番も裏表もぐちゃぐちゃ。会場か
らはそれは俺のスライドやという声。発表は直ちに中
止され,休憩。会場係が直前にスライドケースをひっ
Fig.
1
SEAREX Pacific Dust Network (US) and
the western North Pacific network (Japan)
(after Uematsu, 1992; Tsunogai et al.,
1985).
くり返し,ばらばらに落ちたスライドを手当たり次第
突っ込んだというお粗末が原因だった。かくして米国
の学会デビューは,会場の四分の一程度に残った本当
に興味を持ってくれていた,もしくは以降の講演に関
200
植
松
心のある聴衆の前で,粛々と再開されたのだった。
光
夫
航海が行われたが,黄砂は観測されず,空振り,柳の
1
9
8
6年には北太平洋中央部の貧栄養海域において,
下に2匹目のどじょうはいなかったとの話であった。
降水や大気粒子状物質,セジメントトラップや現場濾
また Miami での降水に取り込まれたサハラ砂漠か
過器を用いた海洋粒子状物質を採取し,アジア大陸か
らの鉱物粒子の主成分であるアルミニウムが,pH と
らの大気物質の海洋環境への影響を観測する ADIOS
高い相関を示して溶出することと,その影響について
(Asian Dust Input to Oceanic System)計画に参加
明らかにした(Prospero et al., 1987)
。黄砂の場合,
した。その結果,1
0
0μm に近い鉱物粒子が約7,
0
0
0
春の降水量は少なく,エアロゾルの除去は乾性沈着
km も運ばれ,短時間で観測海域の海水中の粒子組成
か,少量の雨でも効率良く除かれているように見え
を大きく変化させたことを見い出した(Betzer et al.,
る。日本でも春先,小雨の後,よく自動車のボディー
1988)
。なぜ巨大粒子が運ばれたかの理論的な解釈は
に雨滴の跡が泥の跳ねたようになっていることがあ
いまでもないままだが,観測事実は強い。この時の荒
る。降水量よりも,降水頻度と降下量に相関があると
天下で溶存酸素の鉛直分布や基礎生産量も大きく変化
考えている。
していた(Young et al., 1991)
。自然界で鉄が加わ
これら一連の黄砂の発生と輸送過程について,気象
り,栄養塩が消費され,ブルームの終焉を迎えた過程
観測結果を含めて,気象学的な解析を行った(Merrill
を初めて観測した例である。
et al., 1989)
。天然放射性核種で成層圏,対流圏上部
この航海では前線の移動に伴って陸起源物質が運ば
に起源を持つ Be―7との相関から,太平洋中央部での
れてくることを目の当たりに見た。PMEL(Pacific
硝酸塩エアロゾルは,その前駆体が陸起源物質である
Marine Environmental Laboratory)の Dick Feely
が,対流圏上部を経由して輸送されていることを示し
博士が現場大量濾過器で採取したフィルター上できら
た(Uematsu et al., 1994; Uematsu, 1998)
。
きら光る石英の粒子に,みんな驚いた。それがコンタ
1
9
8
6年の ADIOS 航海の leg1が終了し,ハワイに
ミではない証拠に,船首に取り付けた1
0m のタワー
寄港したが,私は原因不明の歯痛に悩まされた。leg2
上で,直径1m の大型ロートを使った沈着粒子採集
の乗船をあきらめ,ロードアイランドに戻った。ア
器でも見つかった。ほぼ1ヶ月間,船を一観測定点に
パートにたどり着いてドアを開けた途端,電話が鳴っ
とどめて時系列観測するという初めての試みとその重
た。日本から新しくできる北海道東海大学の海洋開発
要性を知った。翌年,私の帰国後,同じ時期に同様の
工学科に就職しないかという打診であった。ひと月も
Fig.
2
Daily atmospheric concentrations of I-131 (half-life 8.0 d) measured at the
SEAREX Network in the North Pacific during from 25 April to 4 June in
1986. An explosion occurred at the Chernobyl nuclear power complex, the
former Soviet Union on 26 April 1986 (after Uematsu et al., 1988).
海洋大気エアロゾルの挙動と組成変動に関する地球化学的研究
201
経たないある日,Duce 教授からチェルノブイリの原
帰国してまもなく,ロシア,Nakhodka での国際
子力発電所の爆発事故が米国に影響がないか,いくら
会議に招待され,それがきっかけとなり,ロシア太平
金がかかってもええから測ってくれるかと頼まれた。
洋海洋研究所と大気共同観測を行った。その結果,ア
間違いなく飛んで来るんとちがいますかと,その日か
ジア大陸からの人為起源物質は,偏西風により広範囲
ら太平洋の観測点での1週間に1回のフィルター試料
に広がっていることが,衛星画像と地上観測から確認
交換を毎日にしてもらい,ガンマ線を片っ端から測定
できた(Uematsu et al., 1992)
。また長崎での集中観
し続けた。その結果,人工放射性物質はチェルノブイ
測によって,人為起源物質が寒冷前線直前の湿った空
リから地球を半周し,日本上空を越え,Midway をは
気塊に含まれ,その後から黄砂粒子が乾燥した空気塊
じめとする観測網や ADIOS 航海中の R/V
Moana
によって運ばれることを,高時間分解のサンプリング
Wave 船上でも検出されたことなど(Uematsu et al.,
と X 線マイクロアナライザを用いた個別粒子化学分
1988)によって,大気物質長距離輸送モデルの基礎
析によって明らかにした(Uematsu et al., 2002)
。こ
と検証の先鞭をつけた(Fig.
2)
。
れらの自然起源や人為起源物質の北太平洋上での輸
在米中,多くの世界的に有名な研究者達に出会うこ
送・降水による除去過程について,太平洋横断定期貨
とができた。ノーベル化学賞を受賞する前の Sherry
物船上に搭載した自動降水連続採取装置を1年間稼働
Rowland 教授や Paul Crutzen 教授も URI の研究室
させ,降水中の不溶性粒子成分が季節的に変動し,1
を訪れた。Duce 教授はその度に,私を含めた研究室
回の降水時に除去される粒子数に大きな変動がないこ
の研究員と個別に話し合える機会を設けてくれた。そ
となどを見い出した(Uematsu et al., 2000)
。このこ
して夜は Duce 教授宅でパーティー。California Insti-
とは,降雨頻度によってフラックスが左右するという
tute of Technology の Claire Patterson 博士からは,
ことである。
会った途端に,これについてあんたはよう知っている
貨物船上での降水と同時に,船上で採取したエアロ
やろ,教えてくれへんかと訊かれた。即座にその答え
ゾルの主要イオン組成を比較した。エアロゾルの組成
はわかれへんと答えると,じゃあ,これはどういう
は春と夏に大きな違いがないのに,夏の降水中の硝酸
こっちゃ,これはどう思うねんなどと,次々質問を投
塩が非常に少なかった。エアロゾルが降水に取り込ま
げ掛けられる。それにはなんとか答え続けていける。
れるなら,エアロゾルの化学組成が降水の組成に反映
突然,なるほど,そういうこっちゃと彼は一人,合点
されていいはずである。この不一致は,北太平洋亜寒
する。気がつくとあんたがわかれへんと言ってはいた
帯で夏に多発する海霧による硝酸の選択的な除去のせ
が,実はあんたはちゃんと答えることができる経験と
いではないか,と考え始めた。
知識があったんやと解説してくれる。うまく質問をす
るというのも大事なことだと思った。
3.大陸から大気を通して輸送される人為
起源物質
4.海洋大気エアロゾルと海霧の化学組成
1
9
9
7年春に,私は人の住める街,札幌を離れ,東京
大学海洋研究所の新しい環境で,研究を続けることに
なった。雑用もないが,一緒に研究する学生もいない
1
9
8
7年1
1月,米国で生まれた娘2人を含め,家族4
時期がしばらく続いた。海洋研ではイオンクロマトを
人で米国東海岸から2週間かけて車で大陸横断し,西
手に入れ,下層雲である海霧とエアロゾル,そして降
海岸 Los Angeles に到着。空港で出発2時間前に愛車
水の化学組成の関係について取り組んだ(Fig.
3)
。
を売り飛ばし,機上で妻の誕生日を迎えた。1
2月から
北太平洋亜寒帯に多発する海霧の pH は,日本海では
は札幌の東海大学に勤務し,1
9
8
8年4月に発足する北
2.
6,北太平洋北西部でも平均4.
0という酸性であり,
海道東海大学工学部海洋開発工学科の助教授として着
人為起源物質だけではなく,海洋生物から放出される
任した。私の研究室には,学科で成績上位者か,浪
自然起源の硫黄化合物による場合もあることを示した
人,留年組で成績も文句なく底辺という両極端な輩が
(Sasakawa and Uematsu, 2002; 2005; Ooki et al.,
集まってきた。今では学位を取得して研究者,それを
2003)
。また,硝酸イオンが硫酸イオンに比べて,海
目指している者やそれを支える仕事に従事する者もい
霧に約二倍の効率で除去されていることがわかった
て,人を育て,人に育てられている果報者だと実感し
(Sasakawa et al., 2003)
。生物生産の高い亜寒帯海
ている。
域での多発する海霧は,陸起源の窒素化合物を海洋へ
202
植
松
光
夫
供給する反面,硫酸塩微粒子となる硫黄化合物を除去
チューブを噛られて室内オゾン濃度を測定していたと
する存在である。
か,このプロジェクトに携わった研究員,技術員,そ
これからの観測は時間をかけた試料採取も大事だ
して学生達はそれぞれの想い出話を持っている。周囲
が,リアルタイムで時間分解能を上げた多成分同時測
の研究者に新しいプロジェクトを認識してもらうため
定が必要だと感じていた。そんな折りに,申請してい
には,呼びやすく覚えやすい頭字語(acronym)の命
た科学技術振興事業団(現,科学技術振興機構)によ
名が重要である。そのロゴ作成や T シャツ作成も不
る戦略的基礎研究「海洋大気エアロゾル組成の変動と
可欠で,参加研究者の結束を高める効果があるように
影響予測」が採択され,研究環境が激変してしまった
感じている。私がこれまで関わってきたプロジェクト
の で あ る。ま た,国 際 的 な IGBP(International
のいくつかのロゴマークを紹介する(Fig.
4)
。
Geosphere-Biosphere Programme)のコアプロジェ
ク ト で あ る IGAC(International
Global
Atmos-
アジア大陸から西部北太平洋上へ輸送される黄砂
と,それに伴って運ばれる人為起源物質の時間的,地
pheric Chemistry)や SOLAS(Surface Ocean-Lower
理的分布が,この VMAP 観測網で明らかになった。
Atmosphere Study)と深く係わっていく。
また,エアロゾルの輸送過程においては,以下の点が
5.海洋大気エアロゾル組成の変動と輸送
今までは世界各地の研究グループが,それぞれの分
明らかになった。
日本列島周辺海域では硝酸イオン
の吸着物質として黄砂粒子が重要な役割(Fig.
5)
を担っている(Ooki and Uematsu, 2005)
,
海洋上
析装置や手法を用いて,エアロゾルの化学分析を進め
を輸送中に生成される硝酸ガスの海塩粒子などへの取
ていた。だが同じ地点で別のグループと同時観測し
り込みにより,外洋上に存在する粒子状硝酸イオンが
て,得られたデータを比較してみると,全く異なる結
生成される(Matsumoto et al., 2004)
,
果が出ている状態であった(e.g., Carmichael et al.,
よって放出された炭素質成分が,シベリア方面から到
1997)
。それならば,一つの研究室で同じ装置を用
達する空気塊中に高濃度に含まれている(Matsumoto
い,同じ手法で測定する大気観測網を作って,日本周
et al., 2003a)
,
辺海域のエアロゾルの特徴と時空間変動を把握し,そ
酸イオン,硝酸イオン,炭素質成分は,その発生源地
の物質循環を体系づけようと目論んだ。
域や輸送メカニズムに差異があり,挙動は必ずしも一
日本で春霞という風物詩を起こすエアロゾルには,
致していない,
森林火災に
同じ人為起源物質である非海塩性硫
炭素質成分はエアロゾル個数濃度に
アジア大陸で巻き上げられた砂漠の鉱物粒子が偏西風
大きな寄与を及ぼしている,
によって日本に運ばれる黄砂や,東アジア域で排出さ
北太平洋上への人為起源エアロゾルの輸送経路には,
れる人為起源物質など,さまざまな物質が含まれてい
日本列島の北方を経由する場合と,南方の海上を経由
る。この春霞を2
0
0
1年春,陸海空から集中的に観測す
する場合の2つがある(Matsumoto et al., 2003b)
,
る国際共同研究プロジェクト(ACE-Asia: Asian Pa-
など。
東アジア地域から西部
cific Regional Aerosol Characterization Experi-
これらの物質が前線を伴う低気圧などの移動によ
ment)の陸と海の観測に我々は取り組んだ(Huebert
り,アジア大陸の広い範囲から大規模に運び出されて
et al., 2003)
。東経1
4
0度線に沿って北緯4
5度の利尻島
いる。しかし,各観測点での濃度変化を見るとその現
から佐渡島,八丈島,そして北緯2
7度に位置する父島
象の時間のずれや濃度に違いが生じている。黄砂や海
まで VMAP(Variability of Marine Aerosol Proper-
塩粒子などの自然起源物質と人為起源物質との混合や
ties)海洋大気地上観測網によって,緯度による大気
変質,除去には,空気塊の混合に係わるそれなりの時
エアロゾル組成を解析し,船舶での観測によって,そ
間がかかることを示している。
のプロセスを押さえようとした。冬の利尻島に保守点
検に出かけたら,悪天候の為,1週間以上滞在し,コ
6.化学天気図予報モデルによる再現と予測
ンビニから食品がなくなったという話。佐渡島の観測
これらの観測測定結果を基に,陸起源物質が大気経
局の隣がキャンプ場で,毎週決まった曜日に,真夜中
由でどれだけの量,海洋大気中へ運ばれているのか見
突然,ポンプの唸り出すという苦情。父島では強烈な
積る必要がある。観測点は4点,地理的には広範囲に
日射で装置内の温度が上がり,パソコンがダウンし,
存在し,気象条件も大きく異なる。しかし,西部北太
夜しかデータが取れていな か っ た と か,ネ ズ ミ に
平洋での大気化学物質輸送を把握するには,大気中で
海洋大気エアロゾルの挙動と組成変動に関する地球化学的研究
203
の物理・化学的要因だけではなく,物質の発生強度と
いたモデル検証は,元素状炭素,非海塩性硫酸イオ
地理的分布,総観スケールの大気運動による輸送など
ン,アルミニウム,一酸化炭素,ラドンなど異なる発
を組み入れたモデルが不可欠である。九州大学応用力
生源を持つ多成分の時間変動が見事に再現(Fig.
6)
学研究所の鵜野伊津志教授グループとの連携で,彼ら
されるようになった(Uno et al., 2003a; 2003b)
。黄
の CFORS(Chemical weather FORcasting Sys-
砂輸送について,実測の降下量を基に輸送フラックス
tem)という3次元の気象成分の時間変化をシミュ
や降下量分布(Fig.
7)を再現した(Uematsu et al.,
レートし,化学物質の輸送,拡散,反応,除去過程を
2003)
。他の成分についても西部北太平洋への輸送量
計算するモデル結果と我々の結果を検証し,モデルの
やフラックス鉛直断面図などが計算され,陸上で発生
高精度化を図った。VMAP 観測網の測定データを用
した物質の洋上での輸送のパターン(Fig.
8)が明
らかにされた(Satake et al., 2004)
。近年,気象予報
のデータが公開されるに至り,CFORS によって,数
日間先の予報も可能となった。研究航海などでも,黄
砂出現の予報を基に船を定点に停め,洋上でその通過
時の時間変化を追うことに成功した。あまりの良い一
致に,もう観測は必要ではなくなるのではないかとい
う冗談も出てくるほどである。この「化学天気予報
図」は,野外集中観測時の体制作りや,環境汚染の事
前把握にも,大きく貢献している。
地球化学の研究者だけで化学を中心としてこの課題
に取り組んでいたのならば,決して到達することの出
来なかった成果であるし,モデル研究者だけでは,動
きが取れなかった課題であった。ある省庁の会議の合
Fig.3
Relationship between AP (nss-SO42− +
NO3−) and NP (NH4++nss-Ca2+) in fog
water and rainwater samples collected over
Northern North Pacific, Solid and dotted
lines indicate the value of pDi. Each color
means measured pH values (after Sasakawa and Uematsu, 2005).
Fig.
5
Fig.
4
Logs for (a) SEAREX, (b) ADIOS, and (c)
SOLAS related to subjects of sea/air exchange of materials.
Size distributions of ionic components in
the marine air during the Asian dust event
observed over Sagami Bay on 6 March
2001. (a) NH4+ (thin solid line), nss-SO42−
(dashed line), and NO3− (thick solid line),
and (b) nss-Ca2+ (solid line). Gaseous HNO3
can heterogeneously react with the surface
of sea-salt or mineral dust particles and
forms particulate NO3 in the coarse mode
range, while the large fractions of NH4+ are
combined with SO42−and form (NH4)2SO4 or
NH4HSO4 in the accumulation mode range
in marine air (modified Ooki and Uematsu,
2005).
204
Fig.
6
植
松
光
夫
Fig.
7
Schematic pattern of Asian mineral dust
transport and it deposition (after Uematsu
et al., 2003).
Fig.
8
Boundary layer (below 1,000 m) averaged
horizontal mass flux (left column), the column averaged horizontal mass flux (middle
column) and the latitudinal cross section of
the eastward horizontal mass flux at 130°
E
(right column) during spring 2001 for mineral dust, sulfate and carbonaceous aerosols (after Satake et al., 2004).
Comparison between observed concentrations at Rishiri station and CFORS model
output (a) black carbon, (b) dust and Al, (c)
nss-SO4−, (d) Rn-222, and (e) CO (after Uno
et al., 2003a).
間,アイウエオ順で隣り合わせた「うの」「う え ま
つ」の雑談からこの連携が始まった。ちょっとした出
会いが新しい流れを作ったといえる。
7.無人海洋大気観測艇「かんちゃん」の
開発と活躍
洋上の島における観測定点の設置は,大気物質の時
間変動の測定に有効であるが,地理的な分布や変動に
対応するためには島の存在場所による制限がある。島
の存在しない北緯3
0度から5
0度にかけての北太平洋中
緯度帯では,船舶による観測とサンプリングや係留ブ
イに頼るしかない。しかし,船は複数の研究分野によ
る共同航海が多く,また運行計画が1年以上前から決
められるため,航海中に出現する現象に対応して独立
大気観測艇「かんちゃん」(観測の「観ちゃん」
,環境
した大気観測はあまり期待できない。
の「環ちゃん」
,還っておいでの「還ちゃん」
,地球を
そこで,大気エアロゾルや気体成分と海洋表層の物
看病する「看ちゃん」
,勇敢な「敢ちゃん」
,肝いりの
理・生物パラメーターを,無人で自動航走や定点保持
「肝ちゃん」
,汗かく「汗ちゃん」……)を開発した
をして連続測定するプラットフォームとして無人海洋
(Fig.
9)
。全 長8m,幅2.
8m の 単 艇 体 ヨ ッ ト を
海洋大気エアロゾルの挙動と組成変動に関する地球化学的研究
Fig.
9
205
Self Cruising Ocean Observation Platform (SCOOP).
“Kan-chan” is a Japanese nickname.
Fig.
1
0 Reactive gases and aerosol in the volcanic plume from Miyake-jima volcano on
25 May. (a) ship track of the cruise SCOOP 01-01 from Shimizu to Hachijojima (176 nautical miles), and (b) temporal change of gaseous SO2, NH3 and
Particulate SO4 concentrations. Particulate SO4 concentration for continuous 4
hr-filter sampling period shown is the fraction of aerosol smaller than 2.5 mm
in diameter (after Uematsu et al., 2004).
ベースとしている。デッキは完全に密閉され,艇内部
槌での定期定線観測では,5日間に水深1
0
0m まで6
8
に大気・海洋観測測定装置,制御コンピュータ,衛星
回の水温,塩分の鉛直分布計測を行い,2時間毎での
通信設備などを装備している。計画当初は北米西海岸
連続測定などが無人で可能となった。船で研究者が6
まで到達を目指す目標だったが,ハワイまでの6,
3
0
0
名でワッチを組んで5日間休まずやると,完全にグ
km 移動できる設計となった。この開発は,東海大海
ロッキーであろう。VMAP プロジェクト終了まで2
洋学部の千賀康弘教授が,今まで培ったノウハウと情
年半計1
3回,2,
5
0
0海里を越える観測航海(エンジン
熱を注ぎ込み,船体設計はヤマハ発動機,制御システ
稼働時間2,
0
8
0時間)を行った。
ムと大気観測機器は紀本電子工業,海洋表層観測装置
「かんちゃん」を使って大気成分の計測をすること
はアレック電子が担当した(Senga et al., 2000)
。大
によって,地上でのサンプリングや船上での観測にお
206
植
松
光
夫
いて生じる周辺の地面から放出される物質,水際や船
少年達の知的好奇心をいかに刺激するかが,我々の仕
の航行に伴う大気の攪乱による海塩粒子などの生成や
事の一つかもしれない。
分布への影響を最小限に抑えることができる。そんな
自然界の物質循環の一層の理解と将来予測について
中で「かんちゃん」の海洋大気観測によって,三宅島
は,地球化学的な手法に加えて,様々な物理,生物過
の火山噴煙から二酸化硫黄とともにアンモニアガスが
程をパラメーター化し,定量的にかつ総合的に解析し
放出され,海洋生物への栄養塩としての供給が,無視
ていかねばならない。他分野の研究を幅広く理解し,
できない可能性を見出した(Fig.
1
0)
。そして,衛星
連携を強め,それと同時に地球化学の魅力をもっとわ
画像解析から夏季の西部北太平洋の生物生産が増加し
かりやすく知ってもらう努力が必要だろう。
ていることを確かめた(Uematsu et al., 2004)
。残念
最後にこの栄誉ある賞に値すると評価された業績
ながら,
「かんちゃん」二世,三世の建造は,叶わず,
は,一緒に研究を進めてきた学生や,多くの共同研究
複数の「かんちゃん」が太平洋上に列をなして同時観
者達の協力や,恵まれた指導者の先生方の教唆なしで
測する夢は,いまも夢のままである。
はあり得なかった。ここに今までお世話になった皆様
8.お わ り に
のお名前を列記して,私の住所録をお見せすることを
敢えて控えさせていただきたい。皆様に深く感謝し,
地球化学は,地球科学の根幹をなす基礎分野として
今後,ますます私の住所録を分厚くし,これからの大
存在している。その基本は化学であり,ものを正しく
気と海洋間の物質循環を中心とした新しい領域と,地
はかることが原点である。この測定値に信頼性がなけ
球科学における地球化学の発展に尽力していきたい。
れば,あとの議論はむなしいものである。日本の地球
引用文献
化学は多くの分析化学研究室によって発展し,その分
析技術は世界に誇れるものである。それを支えるよう
Betzer P. R., Carder K. L., Duce R. A., Merrill J. T.,
に,競争的大型研究資金なども地球環境科学に導入さ
Tindale N. W., Uematsu M., Costello D. K.,
れつつある。その結果,いままで不可能と思われてい
Young R. W., Feely R. A., Breland J. A.,
た超微量物質や存在状態の測定が,大型分析装置の開
Bernstein R. E. and Greco A. M. (1988) Long-
発により可能となり,あらたな地球化学的パラメー
range transport of giant mineral aerosol parti-
ターとして利用できるようになってきた。一方,自然
cles. Nature 336, 568―571.
界でいま起こっている現象を物質循環の観点から捉え
Carmichael G. R., Hong M. S., Ueda H., Chen L. L.,
るには,標準化された観測測定を,地球規模で広く進
Murano K., Park J. K., Lee H., Kim Y., Kang C.
めなければならない。さらに,それを長期的に推し進
and Shim S. (1997) Aerasol composition at
めるプロジェクトや,支援する機関や研究予算の枠組
Cheju Island, Korea. J. Geophys. Res. 102, 6047
みの構築が必要ではないだろうか。これは大学の研究
室単位での取り組みを越えるものであるし,世界中の
国の理解と協力が不可欠である。
―6061.
Duce R. A., Unni C. K., Ray B. J., Prospero J. M. and
Merrill J. T. (1980) Long-range atmospheric
これからの地球化学を考えると,どの分野でもいわ
transport of soil dust from Asia to the tropical
れるように若い優秀な人材を獲得し,養成していく必
North Pacific:temporal variability. Science 209,
要がある。分析化学関係の基礎的な教育が薄まる中,
1522―1524.
高度に自動化された機器分析を駆使することが要求さ
Huebert B., Bates T., Russell P., Shi G., Kim Y. J.,
れている。難易度の高い分析技術を武器に,地球化学
Kawamura K., Carmichael G. R. and Nakajima
のあらゆる分野に挑戦することもひとつである。しか
T. (2003) An overview of ACE-Asia: strategies
し,その中で育った研究者は,その装置がない研究室
for quantifying the relationships between Asian
では,なにもできないことになっていくのではないだ
aerosols and their climatic impacts, J. Geophys.
ろうか。昨今,インターネットによる地球環境科学に
Res. 108, doi:10.1029/2003 JD 003550.
ついての情報知識は,学生のレポート作成にはほとん
Matsumoto K., Uematsu M., Hayano T., Yoshioka
ど困らないほどあふれている。その中で,なにに自分
K., Tanimoto H. and Iida T. (2003a) Simultane-
が興味を持って,なにを武器に取り組むのか,物知り
ous measurements of particulate elemental car-
海洋大気エアロゾルの挙動と組成変動に関する地球化学的研究
207
bon on the ground observation network over the
sol size distribution during sea fog and its scav-
western North Pacific during the ACE-Asia
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campaign. J. Geophys. Res. 108, doi:10.1029/
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