研究者に聞く！！

秋吉： ILAS（10頁、図6参照）などの人工衛星や地上からの観測は、非常に大切です。ただ、そこで得られるオゾンを含む大気中の微量成分のデータは、どうしても空間的・時間的に限られたものとなります。ですから、変動の原因を考える際に、観測データの情報だけを用いた解析では推測の域を出ない場合が多々あるのです。たとえば、先ほどライダーの話で、「たぶん南風が吹いたからエアロゾルが増加したのだろう」と話しましたが、観測データだけからだと、こうした推測の検証が困難な場合が多いのです。検証作業をスムーズに行うためには、なるべく空間的にも時間的にも連続したデータがあるとよいのですが、現在、世界各地で行われている地上観測ネットワークを駆使しても、ILASなどの人工衛星データを用いたとしても、まだ十分ではありません。そこで、成層圏におけるオゾンなど化学物質の分布やその時間変動をモデル化し、観測の不十分な点を補って大気中の化学物質変動を理解するためのツールとして開発されたのが、私たちが使用している3次元化学モデルです。モデルの計算によって化学成分の挙動が全体的に把握できれば、観測で見えた局所的な変動がどのような原因から起きたのか、そしてどのような空間構造を持った変動なのかを理解することができます。また、観測データの存在しない将来のオゾン層がどうなるのかを予測するには、こうしたモデルの利用が必須なのです。
　このような背景もあり、私たちは1995年に成層圏化学モデルの開発に着手しました。国内の先駆けとして、東京大学気候システム研究センターとの共同研究プロジェクトを開始し、大気大循環モデル^メモ）をベースに成層圏での化学プロセスを取り込んだ3次元の化学輸送モデルと化学気候モデルを開発することができました。

永島： 第一に化学モデルの目的ですが、これは、オゾンをはじめとする化学物質の空間分布を時々刻々と計算することです。以下、基本的な考え方を説明しましょう。
　ある地点のある高度におけるオゾン量がどのようにして決まるかを考えます。まず、その場所に他の場所からオゾンがどれくらい運ばれてくるか、また逆に他の場所に向かってどれだけ流れ出て行くのかを考えます。両者の差し引きが輸送による正味のオゾン変化量になります。一方、その場所における化学的なオゾンの生成・消滅も考えなければいけません。化学反応の速さは、その場所での気温や日射量、オゾン以外の化学物質の量によって決まります。最終的には双方を用いて、オゾンがどのくらい増減するのかを計算することができます。この計算を、ある初期状態からたとえば数十分の時間間隔で連続して行うことにより、オゾンの空間分布を時々刻々と計算することが可能になるのです（図1）。

秋吉： 両モデルの違いは、技術的にはそう大きなものではありません。今説明した計算で必要になる風と気温のデータとして、化学輸送モデルでは観測値を、化学気候モデルでは流体力学や大気放射の方程式を解いて風と気温を計算した計算値を、それぞれ用いて化学物質の分布を計算します。この点がほぼ唯一の違いです。与えられた風と気温等のデータを使ってオゾンをはじめとする化学物質の分布を計算する手法は、両モデルで共通のものを用いています。
　化学輸送モデルは、風と気温のデータとして観測値を用いるので、計算された化学物質分布の時間変化は現実大気を比較的よく再現します。また、再現だけではなく特定の化学物質の量や化学反応の速度などを人為的に調整して計算できますので、その結果から、その化学物質が他の物質に及ぼす影響を定量的に評価することができます。こうした評価は化学物質の観測データだけからは難しく、化学輸送モデルの利用は、実際に観測されたオゾン変動の要因解析などに威力を発揮しています。

永島： 化学輸送モデルは、計算を行うために風や気温の観測データが必要なため、観測データのない期間、つまり遠い過去や将来の大気化学物質の挙動を計算することはできません。一方化学気候モデルは、風や気温もモデルで計算しますから、観測データのない期間における化学物質の変動を評価することが可能になります。実際には、過去におけるオゾン層破壊物質や温室効果ガス、海面水温などの観測値、あるいは将来におけるそれらの予想値を用い、化学気候モデルで過去や将来を計算しますが、ここで計算されるデータは100年前や100年後を完全に再現するわけではありません。
　たとえば、化学気候モデルに1990年代に観測された温室効果ガスや海面水温のデータを与えて1990年代の再現実験を行っても、実際に観測された日々の大気状態の変化を精密に再現することはできません。これは、実際の大気現象とそれを表現した数値モデルがカオス（予測不確実）的な性質を持っているためです。
しかしながら、計算値を時間平均した値は、観測データから求めた1990年代の平均値をよく再現することが可能です。このような平均値（＝気候値）の再現性を確認した上に、同じ化学計算の手法を用いた化学輸送モデルで、実際に観測された化学物質の細かい変動をよく再現することが確認できれば、それらを根拠にして、化学気候モデルによる過去や将来の評価に信頼性を与えようというのが化学気候モデルを用いる研究の基本的な立場です。
　化学気候モデルを用い、オゾンをはじめとする化学物質の将来予測を行う理由はそれだけではありません。実は、成層圏では大気の温度や風の分布が決まるのにオゾンによる太陽放射の吸収とそれによる大気の加熱が決定的な役割を果たします。50年先、100年先までのオゾン量を予測しようと思ったら、これらの影響変化も加味したフィードバック過程を考えることが必要となります。化学成分、気温、風速の分布を同時に計算する化学気候モデルでは、こうした用途にまさにうってつけといえます（図2）。

秋吉： 当時（1990年代半ば）こうしたモデルは、計算時間の点から実用的でないとされ、世界でも米国大気センターと米国航空宇宙局ゴダード宇宙科学研究所、そして英国気象局の3つしか行っていませんでした。しかし、オゾンなどの化学物質の動きや反応を3次元で捉え追いかけていくことは、将来予測をするためには欠かせませんし、日本でも研究が必要でした。幸い国立環境研究所でも1991年にスーパーコンピュータが導入され、そこで世界を目標に追いつけ追い越せと進めたわけです。

永島： 最初の大きな成果は、国連の世界気象機関（UNEP/WMO）が発行する「オゾンアセスメント」^メモ)の2002年度版に、私たちのオゾン層将来変動予測が採用されたことです。そこでは「もっとも進んだモデル計算結果」の一つとして扱われており、科学的な成果が出たことはもちろんですが、それを社会に還元できたことは大きな喜びでした。

秋吉： ただ、空間分解能が少し粗いとか、化学計算の手法に多少問題があって改良が必要でした。そして、2007年に発表された「オゾンアセスメント2006年度版」を次なる目標に研究を続けました。2002年度版の実績もあり、国立環境研究所のスーパーコンピュータが優先的に使えるようになりました。

永島： いろいろ行いました。分かりやすい例を一つ紹介しましょう。南極では8、9月にオゾンホールの形成が始まりますが、そのとき生じるオゾン破壊率が、モデルでは実際と比べて小さくなっていました。これはなぜだろうと考え検討した結果、太陽光線の進路を計算する手法に問題のあることが分かりました。9月の南極地方は極夜明けといわれる時期にあたり、太陽の位置は非常に低く、成層圏では太陽光線が大気層の下方から差し込むことも可能です。しかし、当初使われていた計算手法では、地表と大気を平行平板と仮定していましたので、太陽光線は必ず大気層の上方から差し込むことになり、薄暮時の南極上空成層圏の状態を再現し得ないことが判明したのです（図3）。
　さっそく現実に合わせて球面形状の大気を仮定すると、大気層の下方から進入してくる太陽光線を再現できるようになりましたし、オゾン破壊率を現実に近いものにすることができました。

秋吉： オゾンアセスメント2002年度版では8つの研究機関が行ったモデル実験がまとめられていますが、それぞれの研究機関が採用したモデル実験の設定が実はバラバラで、個々のモデルの評価はできるのですが、モデル同士の比較はできませんでした。今回はWMOから共通の設定案が事前に提示され、それに沿った形でモデル開発を進めました。
　今回は世界の11の研究グループが参加し（図4）、私たちの研究では、「2020年頃にはオゾンホールの回復傾向が認められ、今世紀半ば頃にはオゾンホールが解消される」という将来見通しが得られました。

永島： 信頼性の高いモデルとの評価を受けています。ただ、今回のオゾンアセスメントでは、南極上空の塩素量が観測に比べるとやや少ない値のモデルが多かったのです。私たちの場合もそうでした。これは、何が原因なのかはまだ分かりません。モデル大気と現実大気が完全に一致することは理想ですが実は難しい。計算手法の問題や科学的にまだ把握されていない、あるいは実証されていないような化学物質の反応や輸送のプロセスなどは、モデルに入っていません。おそらく塩素の件もその辺に原因があると考えています。

秋吉： その辺を念頭にモデルに手を加えた研究者もいました。そうしたらオゾンホールは非常にうまくいきましたが、他の地域がおかしくなってしまいました。つまり、全球的に見ると信頼できないおかしな予測になってしまったわけです。

永島： 今回の研究に使ったモデルは、計算にかなり時間がかかります。1年間分の計算に約60時間。これは地球温暖化のモデルなどに比べるとはるかに長い時間です。これを100年分行いますからすべての計算が終わるのに8カ月以上かかることになります。計算の途中でミスなどをしてしまうと、それまでの時間が無駄になりますから、本当に慎重な作業が必要でした。

秋吉： 今回の研究を総括しますと、オゾンホールは今世紀半ばには消える可能性が高いと予測されます。これは喜ばしいことですし、科学と政策が結びついて成果を上げた数少ない成功例といえます。地球環境にとっても画期的なことです。
　ただし、オゾンホールからの回復が実現したとしても、その時点での成層圏の大気組成は、オゾンホールが出現する1980年代以前とは違っていると予想されています。たとえば、CO₂のような温室効果ガスは成層圏でも増えていますが、その増え方が今回の将来予測で仮定したシナリオと違ってくるかもしれません。そうした違いがオゾン層の今後にどう影響してくるのかはまだわかっていません。このような新たな状況を評価することは残された課題です。また、化学気候モデルをより詳細に検証するためにWMO傘下の国際プロジェクトも発足しています。研究はこれからも続きます。