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国立環境研究所と海洋研究開発機構のロゴマーク
2017年9月25日

    
北極に運ばれるブラックカーボンはどこからくる?〜地上ではロシアから、上空ではアジアからが多いことが判明〜
(お知らせ)

(筑波研究学園都市記者会、環境省記者クラブ、文部科学記者会、科学記者会同時配付)

平成29年9月25日(月)
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
国立研究開発法人 海洋研究開発機構
 

 国立研究開発法人国立環境研究所の池田恒平特別研究員と谷本浩志室長らは、国立研究開発法人海洋研究開発機構と共同で、北極圏の気候や環境への影響が懸念されるブラックカーボン(以下、「BC」という。)粒子について、独自に開発した「タグ付き全球化学輸送モデル」を用いて、アジア、北米、欧州、ロシアなど主要な汚染地域からの寄与率を明らかにしました。北極圏のBCは、地表面ではロシアの人為起源が62%と最大の寄与を占めました。北極圏で沈着するBCに対してもロシアの人為起源が35%を占め、最大でした。一方、東アジアの人為起源BCは中部対流圏に運ばれるため、北極圏では地表ではなく高度5 kmで最大の寄与となり41%を占めました。東アジアは、中部・上部対流圏のBCに対して最も重要な発生源であることが初めて明らかになりました。これらの知見はBCが北極圏の温暖化に及ぼす影響の理解を進め、日本もオブザーバーを務める北極評議会など国際的な対策に貢献します。
 本研究成果は、欧州地球科学連合(EGU)の学術誌「Atmospheric Chemistry and Physics」に2017年9月8日付で掲載されました。  

1.背景

 ブラックカーボン(BC)粒子は、大気中を浮遊する微小粒子(エアロゾル)の成分の一つで、すす粒子や元素状炭素とも呼ばれています。ディーゼルエンジンの排気ガス、石炭の燃焼、森林火災、薪などバイオマス燃料の燃焼など、炭素を主成分とする燃料が燃焼した際に主に発生します。大気汚染物質であると同時に気候に影響する物質であることから、短寿命気候汚染物質 (SLCP: Short-Lived Climate Pollutant)と呼ばれるものの一つです(図1)。
 BCは太陽光を吸収する性質があり、大気を加熱したり、積雪や海氷面に沈着して太陽光の反射率を下げ、氷の融解を促進することで、気候変動を加速する可能性が指摘されています。北極圏は地球上で最も速く温暖化が進行している地域であり、北極圏におけるBCの発生源を理解することは重要かつ緊急の課題となっています。我々は世界各地の発生源から排出されたBC粒子の発生、輸送、変質、沈着を計算できるモデルを用いて、北極圏のBCがどこからどのくらい運ばれて来るのか、といった発生源別の寄与や収支の評価を行いました。

様々な発生源から排出されたブラックカーボン粒子が北極圏へ輸送され、沈着する様子の模式図。
図1 様々な発生源から排出されたブラックカーボン粒子が北極圏へ輸送され、沈着する様子の模式図。

2.方法と結果

 我々は発生源の種別(人為起源及びバイオマス燃焼起源)と様々な地域毎に排出されるBCの濃度をそれぞれ区別して計算する「タグ付きトレーサー法」を全球化学輸送モデル(GEOS-Chem)に導入しました(図2)。

(a)人為起源及び、(b)バイオマス燃焼によるBCの年間排出量と、タグ付きトレーサーシミュレーションのための領域の設定を示す。アジアは通常1領域だが、ここでは日本、韓国、中国北部、中国南部の4領域に分けた。
図2(a)人為起源及び、(b)バイオマス燃焼によるBCの年間排出量と、タグ付きトレーサーシミュレーションのための領域の設定を示す。アジアは通常1領域だが、ここでは日本、韓国、中国北部、中国南部の4領域に分けた。

 その後、世界各地のBC発生源が北極圏のBC濃度や沈着量に及ぼす寄与を評価しました。図3に北極圏(北緯66–90度)で平均した地表面付近及び中部対流圏にあたる高度5 kmでのBC濃度に対する発生源別の寄与の季節変化を示します。地表面のBC濃度に対しては、ロシア及びヨーロッパの人為起源BCによる寄与が重要であり、特に冬季と春季にかけて増加します。夏季は人為起源BCの寄与は減少する一方、シベリアやアラスカ・カナダにおける北方森林火災起源のBCの寄与が増加します。年平均濃度では、ロシアの人為起源BCの寄与が62%と最大の寄与を占め、ヨーロッパが13%で続きます。北極圏の高度5 kmでは、東アジア(日本と朝鮮半島、中国の合計)の人為起源BCの寄与が最大であり、年平均では41%を占めました。季節では、春季に最大となりました(図3)。

北極圏(北緯66-90度)で平均した、(a)地表面付近及び、(b)高度5 kmにおける月平均BC濃度に対する各発生源からの寄与の季節変化および、年平均濃度に対する寄与率。
図3 北極圏(北緯66-90度)で平均した、(a)地表面付近及び、(b)高度5 kmにおける月平均BC濃度に対する各発生源からの寄与の季節変化および、年平均濃度に対する寄与率。

 図4に春季、高度5 kmにおける東アジア起源BCの水平分布及び、北緯66度を通過する量(南北フラックス)の経度-高度面を示します。東アジア起源のBCは主にオホーツク海や東シベリアの上空を通って北極圏へ輸送されていることがわかります(図4)。北極圏へ運ばれた後は、北極海上をさらに東へ輸送されます。また、東アジアから北極圏への流入が発生する重要な領域を特定し、それが東経130-180度、高度3-8 kmにあることを明らかにしました(図4)。このことは、東アジア起源BCの北極圏への輸送は主にシベリア上空の中部対流圏で起こっており、対流圏下層からの輸送は弱いことを示しています。

(a)春季(3-5月)における高度5 kmでの東アジア起源BCの濃度を色で、水平フラックスをベクトルで示す。(b)北緯66度における東アジア起源BCの南北フラックスの経度-高度断面。暖色系は北極圏への流入を、寒色系は北極圏からの流出を示す。
図4 (a)春季(3-5月)における高度5 kmでの東アジア起源BCの濃度を色で、水平フラックスをベクトルで示す。(b)北緯66度における東アジア起源BCの南北フラックスの経度-高度断面。暖色系は北極圏への流入を、寒色系は北極圏からの流出を示す。

 図5に主要な発生源毎のBCの排出量、北極圏への流入量、沈着量を示します。北極圏で鉛直積算した量 (カラム量) について見ると、東アジアの人為起源BCの寄与が最も大きく27%を占め、ロシアの人為起源の寄与が21%で続きます (表1)。東アジア起源のBCは、他の重要な発生源地域(ヨーロッパやロシア)からのBCと比べて、北極圏に到達するまでに降水によって除去される割合が大きいにもかかわらず、北極圏の大気中のBCに対して重要な寄与を持っています。これは、東アジアのBC排出量が非常に大きいことが原因です(図5)。
 北極圏での沈着量に対しては、ロシアの人為起源BCが35%と最も大きな寄与を占め、ヨーロッパ起源の寄与が19%で続きます(表1)。沈着量については、人為起源のBCだけでなく、シベリアやアラスカ・カナダの森林火災起源のBCも重要な寄与(12-15%)を持つことがわかりました。

主要な発生源毎のBCの収支。数値の単位はGg/年。四角形の大きさは相対的な量的関係を表す。
図5 主要な発生源毎のBCの収支。数値の単位はGg/年。四角形の大きさは相対的な量的関係を表す。

表1 北極圏(北緯66-90度)で平均した地表面付近と高度5kmでの年平均BC濃度及び、カラム量、沈着量への各発生源からの相対的寄与率(%)。括弧内のANとBBはそれぞれ人為起源とバイオマス燃焼起源であること示す。

北極圏(北緯66-90度)で平均した地表面付近と高度5kmでの年平均BC濃度及び、カラム量、沈着量への各発生源からの相対的寄与率(%)。括弧内のANとBBはそれぞれ人為起源とバイオマス燃焼起源であること示す。

3.まとめと今後の展望

 東アジア起源BCの寄与は北極圏の地表面付近では大きくありませんが、中部・上部対流圏で大きくなる一方、地表面付近で主要なロシアからの寄与は高度5 kmでは大きくありません。これらの結果は、同じ北極圏でも高度によって、主要な発生源が異なっていることを示唆しています。アジアから運ばれるBCは大気の加熱に影響していますが、積雪や海氷面に沈着して融解を促進することにはあまり影響していないことが示唆されました。
 BC粒子は微小粒子状物質(PM2.5)の成分の一つであり、北極圏に住む人々への大気汚染という観点からは、ロシアやヨーロッパの人為起源BCの寄与が大きくなることが示唆されました。

 本研究は、環境再生保全機構・環境研究総合推進費「アジア起源の短寿命気候汚染物質が北極域の環境・気候に及ぼす影響に関する研究」(2-1505、代表:谷本浩志)および、低炭素研究プログラムPJ1「マルチスケールGHG変動評価システム構築と緩和策評価に関する研究」の一環として実施されました。

発表論文

Ikeda, K., Tanimoto, H., Sugita, T., Akiyoshi, H., Kanaya, Y., Zhu, C. and Taketani, F., Tagged tracer simulations of black carbon in the Arctic: Transport, source contributions, and budget, Atmospheric Chemistry and Physics, 17, 10515-10533, https://doi.org/10.5194/acp-17-10515-2017, 2017.

参考論文

Arnold, S. R., K. S. Law, C. A. Brock, J. L. Thomas, S. M. Starkweather, K. von Salzen, A. Stohl, S. Sharma, M. T. Lund, M. G. Flanner, T. Petäjä, H. Tanimoto, J. Gamble, J. E. Dibb, M. Melamed, N. Johnson, M. Fidel, V.-P. Tynkkynen, A. Baklanov, S. Eckhardt, S.A. Monks, J. Browse, H. Bozem, Arctic air pollution: Challenges and opportunities for the next decade, Elementa: Science of the Anthropocene, 4, 000104, doi: 10.12952/journal.elementa.000104, 2016.

問い合わせ先

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
地球大気化学研究室長 谷本浩志
電話:029-850-2930
E-mail: tanimoto(末尾に@nies.go.jpをつけてください)
特別研究員 池田恒平
電話:029-850-2762
E-mail: ikeda.kohei(末尾に@nies.go.jpをつけてください)

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