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2017年4月14日

富士山頂での自動CO2濃度観測機器による長期間観測の成功
—富士山頂で東アジア全体が把握できるCO2濃度が観測可能と判明—(お知らせ)

(筑波研究学園都市記者会、環境省記者クラブ同時配付)

平成29年4月14日(金) 
国立研究開発法人 国立環境研究所
      地球環境研究センター
         炭素循環研究室
      特別研究員 野村渉平
         室長 向井人史
 

 夏季(1.5か月)しか商用の電源が使用できない富士山頂で、年間を通して大気中二酸化炭素(CO2)濃度を測定するために、地球環境研究センターではバッテリー電源で自動稼働するCO2濃度計測機器を開発・制作し、それを2009年に富士山頂の旧富士山測候所に設置しました。
 本装置を毎年メンテナンスおよびバッテリー充電システムの改良を繰り返しながら、7年間の富士山頂でのCO2濃度観測が成功しました。観測されたCO2濃度を解析した結果、高い精度で測定されていることが確認されました。
 富士山頂のCO2濃度は、北半球中緯度の平均的なCO2濃度を示すハワイ島のマウナロア観測所の濃度に比べ年平均が約1 ppm高く、中緯度における東アジア域における代表的な濃度を示していると考えられました。季節変化として富士山頂の濃度はマウナロア観測所より夏期は低く、冬期は高いことが明らかとなりました。これはアジア大陸の植物の光合成によるCO2吸収および人為起源(化石燃料燃焼など)によるCO2放出の影響を強く受けているためです。さらに、マウナロアと富士山両者の差から東アジアの炭素循環の変化を捉えることができることも明らかとなりました。
 この成果は、2017年3月3日に欧州地球科学連合の発行する「Atmopsheric Measurement Techniques」に掲載されました。

背景

 現在、世界で大気中のCO2濃度の観測が行われている地点は、約180カ所あります。しかし、その観測点は地域に偏りがあり、アジアにおける観測点はわずかです。日本では人為的な影響をほとんど受けない北海道の岬や沖縄の離島を含むリモートサイトで観測が行われています。本州は、アジア大陸でのCO2の吸収と排出の影響を受けた大気が偏西風により輸送されるため、アジア域の炭素循環を検証する絶好の場所に位置しています。しかしながら、多くの場所では周辺工場・自動車・森林等からのCO2の排出や吸収など局所的な影響を受けやすく、地域を代表するCO2濃度の観測は部分的にしか行われて来ていませんでした。

 しかし1980-1981年に東北大学、2002-2004年に気象研究所により富士山頂の大気中CO2濃度の観測が行われ、富士山頂の大気が年間を通して地上の影響を受けない自由対流圏であり、その大気中のCO2濃度は近傍の二酸化炭素の吸収と排出の影響を受けていない東アジアを代表する濃度であることが示唆されました。しかし観測の拠点となった富士山頂にある富士山測候所において2004年に通年有人観測が終了し、夏季以外には測候所への電力の供給が停止されたため、富士山頂でのCO2濃度の連続観測は中断されました。

 年間を通して自由対流圏の大気を捉えられ、かつ近傍の二酸化炭素の吸収と排出の影響を受けない地上点は、本州のみならず、東アジア域において富士山頂だけです。そこで我々は富士山頂の大気中CO2濃度の長期観測を目的として、バッテリーで駆動し、かつ寒冷な環境下でも高精度でCO2濃度を自動で計測できる機器を開発・製作し、それを2009年に富士山測候所に設置し、富士山頂の大気中のCO2濃度を計測しました。

写真1. 雲海から突き出た富士山と、富士山頂にある旧富士山測候所の様子

研究手法

 市販の100個のバッテリーの電力で1年間大気中のCO2濃度を高精度で測れる機器と、100個のバッテリーの充電を簡易かつ速やかに行える装置、測定されたデータが毎日衛星通信により送信されるシステムを開発して、長期間の観測を継続できる観測装置を構築しました。これらを富士山頂にある旧富士山測候所(現:富士山特別地域気象観測所)に設置し、富士山頂の大気中のCO2濃度を毎日測定しました。その間、落雷によるシステムへの影響低減の対策技術の検討も行いました。

写真2. CO2観測システムの様子

成果

 富士山頂に設置したCO2計の測定精度を確認するために、本機器が富士山頂の大気中CO2濃度を計測する時刻に、富士山頂の大気をフラスコに採取し、その空気中CO2濃度をつくばの研究所の分析室にて計測しました。その結果、CO2計で得られた測定値とフラスコに採取された空気のCO2濃度の差は約0.04 ppmであり、CO2計は高精度で観測が行えていることが確認できました。

図1. CO2計とフラスコサンプリングのCO2濃度測定値の差

 富士山頂のCO2濃度は、北半球中緯度の平均的なCO2濃度を示すハワイ島のマウナロア観測所の濃度より平均濃度では1ppm程度高いことが分かりました。その平均濃度が400 ppmを超えたのは富士山頂では2014年10月であり、ハワイのマウナロア観測所より5か月程度早かったことが分かりました。季節変化としてはマウナロア観測所より、夏期においては同程度か少し低いケースが見られました。冬期においては通常高いケースが多いことが明らかとなりました。これは大陸の植物の光合成によるCO2吸収および人為起源(化石燃料燃焼など)によるCO2放出の影響を強く受けているためです。これらの結果から東アジア域のCO2の放出源が吸収源を上回っていることが明らかとなりました。

 さらに富士山頂のCO2濃度は、航空機を用いて同地域同高度で測定されたCO2濃度と年間を通してほぼ同じ値で、両者の差は約0.05 ppmでした。このことから、富士山頂の大気中CO2濃度は、年間を通して近傍のCO2の吸収と排出の影響を受けない、東アジア域の代表的な値であることが確認されました。

図2. 富士山頂、航空機観測*1およびマウナロア観測所のCO2濃度

おわりに

 本システムを長期運用することにより、富士山頂の大気中CO2濃度に含まれるアジア域で人為的に排出されるCO2と吸収されるCO2の情報を解析し、本地域の炭素循環の変化およびアジア域が地球環境に与える影響を明らかにしていきたいと思っています。また、現在行われている温室効果ガス観測技術衛星(GOSAT)のCO2観測*2においては、測定された大気のカラム濃度の絶対値を検証する場合に、こういった高さ方向のCO2濃度分布の基礎データを蓄積することが重要であることから、富士山でのデータの蓄積も航空機観測と同様にGOSAT観測検証に貢献できると考えられます。

発表論文

Nomura, S., Mukai, H., Terao, Y., Machida, T. and Nojiri, Y. Six years of atmospheric CO2 observations at Mt. Fuji recorded with a battery-powered measurement system. Atmos. Meas. Tech. 10, 667-680, doi:10.5194/amt-10-667-2017 (2017).

研究資金

 本研究は環境省の委託業務「地球温暖化分野の各種モニタリング推進強化に関する研究委託業務」および「地上及び航空機による温室効果ガス観測体制強化業務」により実施されたものです。

*1、航空機観測: 日本航空が運航する旅客機に二酸化炭素濃度連続測装置(CME: Continuous CO2 measuring Equipment)と自動大気サンプリング装置(ASE: Automatic Air Sampling Equipment)を搭載して上空における温室効果ガスの分布や時間変動を高頻度・広範囲で観測するCONTRAILプロジェクトです。
*2、温室効果ガス観測技術衛星(GOSAT): 主要な温室効果ガスである二酸化炭素とメタンの濃度を宇宙から観測することを主目的とした世界初の衛星です。

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