ユーザー別ナビ |
  • 一般の方
  • 研究関係者の方
  • 環境問題に関心のある方
2014年1月31日

研究者に聞く

Interview

上空から地球の二酸化炭素を探る

町田敏暢 / 地球環境研究センター 大気・海洋モニタリング推進室室長

 国立環境研究所は気象研究所などと共同で、旅客機を使って上空の二酸化炭素濃度の観測を行うCONTRAIL(コントレイル)プロジェクトを行っています。プロジェクトのリーダーを務める大気・海洋モニタリング推進室室長の町田敏暢さんに、この研究への取り組みや成果についてうかがいました。

炭素循環を解き明かしたい

  • Q:町田さんは大気中の二酸化炭素の測定をされているのですね。
    町田:はい、そうです。二酸化炭素は地球温暖化の原因とされる温室効果ガスの中で最も重要な物質です。地球温暖化を緩和するために、二酸化炭素の排出量を抑えようと対策がとられていますが、それでも大気中の二酸化炭素の増加率は現時点では鈍っていません。二酸化炭素濃度が増えているのは、石油やガソリンなどの化石燃料を燃やしているからです。でも、人が出した二酸化炭素がすべて大気中に残っているわけではないのです。
  • Q:では、二酸化炭素はどうなるのですか?
    町田:人が出した二酸化炭素の半分くらいは、森林や海に吸収されます。二酸化炭素は光合成によって陸上植物に取り込まれますし、水にとけやすい性質もあるので海洋にも吸収されます。海水に溶け込んだ二酸化炭素を水中のプランクトンなどが利用しています。二酸化炭素は、大気から陸地や海へと形を変えながら地球上を移動します。大気や海洋、森林などは炭素の貯蔵庫となっていて、炭素がこれらの間を交換したり移動したりすることによって地球規模で循環しています。これを「炭素循環」と呼びます。
  • Q:近年は森林伐採なども問題になっていますし、炭素が循環する様子も変わっているのではないですか?
    町田:おそらくそうでしょう。でも、どこの森林や海洋がどれくらい二酸化炭素を吸収し、排出しているかはまだ詳しくわかっていません。また、気候の変動に対して有効な排出量削減目標を設定するためには、人が出す二酸化炭素の量に対して自然界がどのように応答するかを予測することが必要ですが、そのメカニズムを理解し切れていないため、目標値には不確実さが残ってしまいます。そこで、大気中の二酸化炭素の分布やその時間的な変動を観測することで、地球の炭素循環を解き明かしたいと考えています。

航空機を使って二酸化炭素を測定するということ

観測装置を搭載するための機体改修
図1
図1 大気の鉛直構造と気温の鉛直分布
 我々が住んでいる「対流圏」は上方に行くほど気温が下がります。これは山の上に行くと寒くなることで実感できることです。しかし高度約10kmを過ぎると気温の減少は止まって、さらに上方に行くと気温が上昇していきます。これはこの高さにあるオゾン層が太陽から降り注ぐ紫外線のエネルギーを吸収しているためです。この気温が上がっていく層を「成層圏」といいます。さらに上方には再び高度とともに気温が下がる「中間圏」、再び気温が上昇する「熱圏」があります。
 対流圏と成層圏の境界を「対流圏界面」または単に「圏界面」と呼びます。空気は対流圏と成層圏では混ざりにくいので、圏界面を隔てて空気の性質が大きく違っていることがあります。旅客機が巡航する高度はちょうどこの圏界面の近くです。
 ちなみに、国際宇宙ステーションの飛んでいる高さはこれらよりずっと上の約400km、宇宙から二酸化炭素を観測する人工衛星GOSAT(いぶき)は約660kmです。
  • Q:航空機を利用した観測に取り組んでこられたとのことですが、なぜ航空機なのでしょうか?
    町田:大気中の二酸化炭素を測定する方法には、地上での観測や船舶を使った海洋上での観測もあれば、人工衛星を利用する方法もあります。地上で観測することが一番の基本ですし、時間的に密なデータが取れますが、定点の情報しか得られません。船舶を使うと緯度経度方向に広範な観測ができますが、観測頻度は限られます。また、これらの観測では3次元的な広がりを持った大気のうち、地表付近のごく限られた場所の情報を得ているにすぎません。人工衛星は非常に広い範囲の測定ができます。環境研でも、「いぶき」(GOSAT)という人工衛星で二酸化炭素やメタンを測定しています。ただ、離れた場所から測定しているので大気を直接測る方法に比べると精度はよくありませんし、高度の情報も正確には出しにくくなっています。一方、航空機は上空約10kmまでの高さ方向の分布を精度よく測定することができます(図1)。測定範囲はGOSATには及びませんが、現場の大気を直接測定できるのでけた違いに精度が高いのです。
  • Q:最初から旅客機を使ったのですか?
    町田:始まりはチャーター機で、シベリア上空の観測でした。
  • Q:シベリアですか!なぜそんなところで測定したのですか?
    町田:シベリアには広大な森林があるため、光合成や呼吸を通して地球上の二酸化炭素の循環に深く関わっています。また広大な湿原があり、2番目に重要な温室効果ガスであるメタンの発生源にもなっています。地球温暖化を考える時にとても重要な場所なのですが、1990年代前半には二酸化炭素のデータなどありませんでした。広い場所であることと、温室効果ガスの強い発生源や吸収源があることから、その場所から離れてよく混ざった空気を観測するために、航空機をチャーターして上空から二酸化炭素やメタンなどの温室効果ガスの観測を環境研では世界に先がけて始めました。私が環境研に来る前の1992年のことです。翌年私が環境研に来た年に、月に1回の定期的な空気採取を始めました。これは現在でも続いています。
図2
図2 シベリア上空で観測された二酸化炭素濃度
 この図は西シベリアのスルグート市(北緯61度、東経73度)近郊の上空においてチャーター機を使った定期的な空気採取によって観測された二酸化炭素濃度の、高度1km、3km、7kmにおける変動です。
 いずれの高度においても二酸化炭素濃度は明瞭な季節変動を伴いながら、年々上昇を続けています。二酸化炭素濃度の季節変動は陸上生態系の活動によって引き起こされているので、地表に近いほど季節振幅が大きくなっており、高度1kmの振幅は高度7kmの約2倍です。これに対して、濃度の年平均値はどの高さでもほとんど同じ値を示しています。このことから、シベリアの地表面での二酸化炭素の放出量と吸収量の年積算値はほぼバランスしていると推定できます。
  • Q:どんなことがわかったのですか?
    町田:シベリア上空の二酸化炭素の濃度は夏に低く、冬は高いという変動と振幅をしながら年々上昇しています(図2)。夏が低いのは植物の光合成がさかんなためです。また季節変動は、地面に近いところのほうが大きくなっています。それに加えて、大陸内部の季節振幅は同じ緯度帯の沿岸域で観測された振幅に比べてとても大きいことがわかりました。地球の大気は東西方向によく混ぜられていると考えられていましたが、広大な森林の光合成や呼吸活動の影響を直接受ける大陸内部では二酸化炭素の変動の様子が大きく違っていたのです。
  • Q:測定はどうやって行うのですか?
    町田:航空機にガラス瓶(フラスコ)を載せて、高さごとの空気を圧縮して詰めます。フラスコはそのまま日本に持ち帰り、実験室で測定装置を使って分析します。
  • Q:空気をフラスコに詰めるとなると、たくさん測定するのは大変そうですね。
    町田:その通りです。航空機にのせて持って行けるフラスコの数は限られてしまいますから、得られるデータにも限りがあるということになります。これに対して測定装置そのものを航空機にのせて飛びながら連続して二酸化炭素濃度を測る観測方法もあります。
  • Q:まるで空飛ぶ実験室ですね。
    町田:そうですね。連続測定は二酸化炭素濃度の詳細な鉛直分布や緯度分布などを観測することができます。まずは、北極点を横断飛行して、冬の高緯度における二酸化炭素濃度の分布を観測しました。地上から高度10㎞の対流圏から成層圏にかけての二酸化炭素濃度を測定すると、成層圏では上空に行けば行くほど濃度は低くなっていました。1998年に日本からインドネシアにかけての領域で行ったBIBLE-Aキャンペーンという観測では、北半球と南半球の間には大気の境界線が存在することを二酸化炭素濃度の違いによって見いだしました。

民間の旅客機で測定したい

ASEの搭載・取りおろしと空気分析作業
  • Q:航空機で大気を調べると、いろいろなことが見えてくるのですね。ただ、航空機を飛ばすとなるとずいぶん大がかりで、気軽にあちこちで測定するとか、毎日測定するといったことは難しいように思いますが…。
    町田:まさにそうなのです。でも、実際には航空機は世界中を毎日飛んでいます。航空会社が運航している定期便に装置を搭載させてもらって二酸化炭素を測定することができれば、飛躍的に広範囲で高頻度の測定が可能になります。
  • Q:そんなことができるのですか?
    町田:はい!それが、CONTRAILプロジェクトで実現できたのです。これは日本航空(JAL)が運航する旅客機を利用させてもらって、上空における二酸化炭素濃度の観測を高頻度で行うというもので、2005年から始まりました(図3)。環境研のほか、気象庁気象研究所、JAL、航空機装備品の製造整備会社「ジャムコ」、公益財団法人JAL財団が共同で実施しています。
     実はCONTRAILプロジェクトが始まる前にもJALは1993年より、気象研究所などと共同でボーイング747型機に自動大気採取装置(ASE)を取り付けて、オーストラリアと日本を結ぶ路線で大気観測を行っていました(旧JAL観測、図4参照)。この航空機の退役が近づき、新たな大気観測プロジェクトであるCONTRAILが計画されました。それまでは上空の大気を持ち帰って実験室で分析を行うだけでしたが、新たなプロジェクトではASEの改良を行うとともに、二酸化炭素の濃度を機上で測定する装置を搭載しようと提案されました。そうすれば飛躍的に広範囲で高頻度の観測が可能になるからです。
図3
図3 CONTRAILプロジェクトで観測に使われている機体と開発された2つの観測装置
 2014年1月の時点で、JALが運航する8機のボーイング777-200ER型機に観測装置を搭載することが可能になっています。
 いずれの装置も客室の床下に位置する貨物室が搭載場所です。
 二酸化炭素濃度連続測定装置(CME)は前方貨物室に搭載可能で、離陸直後から着陸直前まで飛行中に連続して二酸化炭素濃度を測ります。
 自動大気サンプリング装置(ASE)は後方貨物室に取り付けられます。中には12本の金属製容器が入っており、上空の12カ所で空気を採取できます。飛行後は直ちに環境研に持ち帰って、二酸化炭素ばかりでなく、メタンなど他の温室効果ガスや関連ガスの濃度、さらには同位体比の分析も行います。
図4
図4 ASEで観測された上空における二酸化炭素濃度の長期変動
 図はオーストラリアから日本への飛行中の高度10km付近で観測された二酸化炭素濃度のうち、北緯20度付近と南緯20度付近の値をまとめて時間変化にしたものです。図の青丸は旧JAL観測で得られた濃度を、赤丸はCONTRAILで開発した改良型ASEによる観測値を、黒丸はCMEによる観測値を表しています。改良型ASEでの観測を立ち上げるにあたって、ASEの金属容器内での空気の保存性試験や気象研と環境研での分析装置の違いの比較など、多くの検討を行った結果、旧JAL観測とCONTRAILの観測値はどの緯度帯でも非常に良い連続性を示しました。

苦労の連続だった装置の開発

CMEの装置・取りおろしとデータ処理
  • Q:それはすぐにできたのですか?
    町田:いやあ、苦労しました。今までの連続測定は専用の航空機でしたが、今度は旅客機ですから。まず観測装置は乗客に影響のない安全性を証明することが絶対条件です。また搭載場所も限られますし、燃料の消費を抑えるために小型で軽量であることが必要です。そのためには、今までの装置は使えません。そこで、観測装置を一から開発しなければなりませんでした。
  • Q:観測装置をご自分で開発したのですか?
    町田:はい、最初のプロトタイプは環境研で開発しました。その後、航空機に搭載するための専用部品を使った組み上げはジャムコ社が行いました。観測装置の開発にはたくさんの制約がありましたが、測定精度を保つために絶対譲れなかったのは、標準ガスを搭載するということでした。精度の高い測定を行うには、二酸化炭素の濃度を厳密に測定してある「標準ガス」と比べて、正確に濃度を決めなければなりません。標準ガスは空気を金属の容器(シリンダー)に高圧で詰めたものなのですが、高圧ガスはそう簡単に旅客機に持ち込めるものではありません。
  • Q:安全性の問題ですね?
    町田:はい。装置を開発して旅客機に搭載するために、米国の連邦航空局と日本の国土交通省航空局の承認を取得しました。ガス自体の安全性には問題がないのですが、通常使用している日本製の金属シリンダーの安全性を証明するのが容易ではありませんでした。何度目かの開発会議にガス会社の人を招いてアドバイスをもらったところ、旅客機に搭載された前例のある米国運輸省の刻印のあるシリンダーを使えばいいのではないかとの案が出ました。しかし、日本のルールでは、日本の高圧ガス保安協会の検査に合格したシリンダーでなければガスを詰められません。搭載のたびにシリンダーを米国に送るのは現実的ではありませんから、このままでは使えません。そこで米国ライセンスのシリンダーを輸入し、新たに日本の高圧ガス保安協会で耐圧検査を受けて、日本と米国のダブルライセンスのシリンダーにするというアイデアでようやく標準ガスの問題が解決しました。
図5
図5 CMEで観測された二酸化炭素濃度はASEの観測値とぴったり合っていた
 図は2005年12月に、シドニーから成田に向かう飛行中にCMEで観測された二酸化炭素濃度とASEで観測された濃度を比較したものです。CMEは小型軽量の装置ですし、搭載場所は温度も気圧も一定ではありませんから非常に悪い条件で測定していることになります。これに対してASEは、実験室において温度も気圧も一定で、大型の装置で二酸化炭素濃度を分析できるので、信頼のおける値が得られます。両者の結果を比較すると、CMEの観測値はASEと0.2ppm以内で一致していました。この結果、CMEは小型軽量であっても十分な精度で二酸化炭素濃度を観測できることが確かめられました。
 また、この図からCMEを使うと、ASEの12点だけでは捉えられなかった細かな濃度の分布も観測できていることがわかります。
  • Q:それですぐに許可は取れたのですか?
    町田:いいえ。そこからまだたくさんの試験を繰り返し、ようやく承認を得ることができました。今となれば、よく限られた期間内に終えられたなと思います。2005年の11月に初飛行をしましたが、このときが一番緊張しました。二酸化炭素濃度連続測定装置(CME)は通常1ヵ月以上搭載するのですが、最初は1週間ほどでデータをチェックしました。成田上空やジャカルタ上空の二酸化炭素濃度が各フライトで一致しているのを見て、旅客機で二酸化炭素濃度がきちんと測れていることを確信しました。また、旧JAL観測で使っていたASEは機体の位置情報を取得するなど新たな機能を加えて改良をしました。改良型ASEの初フライトは1ヵ月後の2005年12月に行われましたが、結果を図にプロットしたときに、CMEで測った二酸化炭素濃度とぴったり一致したのを確認してすごくうれしかったのを覚えています(図5)。
  • Q:私たちが利用する航空機が二酸化炭素の測定に役立っていたとは知りませんでした。
    町田:測定中の航空機には「この飛行機は上空のCO2濃度を観測しています」というロゴマークがついたものがありますから、機会がありましたらぜひ探してみてください。

飛躍的に増えたデータ

  • Q:定期旅客便で観測できるようになるとどんなメリットがあるのですか?
    町田:CMEは搭載した旅客機が毎日飛行してくれるので、高い頻度でデータを得ることができます。また、JALが運航する世界各地の二酸化炭素濃度を測ることができますし、地表から上空まで高さの違いによる二酸化炭素の変化、つまり鉛直分布を調べることができます。さらに、図5でわかるようにASEではできなかった詳細な空間分布の把握が可能になります。
CMEで観測を行ったルートと、各空港での離着陸数
  • Q:どれくらいのデータが得られたのですか?
    町田:これまでに日本と世界の都市を結ぶ7500回以上のフライトで、1万4000個以上の鉛直分布のデータを収集しました(右図)。
  • Q:測定データの量が飛躍的に増えて、新しいことも見えてきたのでしょうね。
    町田:その通りです。測定の結果、二酸化炭素濃度の季節変動の緯度や高度による違いが詳しくわかってきました(図6)。また、二酸化炭素は大気中で化学変化しにくい安定した化合物なので、二酸化炭素濃度の分布から天気の動きを見ることができます。南北方向の飛行のデータから北半球から南半球への大気の動きが見えるようになりました(図7)。また高緯度のデータから対流圏から成層圏への大気の動きが見えるようになりました。さらにCONTRAILは鉛直分布をたくさん測定できることから、GOSATなど人工衛星を利用した観測データを検証するのにも役立っています。
図6
図6 二酸化炭素濃度の季節振幅の緯度分布
 地表付近における季節変動の振幅は環境研が実施している日本-オーストラリア間および日本-北米間における貨物船を使った定期観測で得られた値(データは向井博士らからの提供)から計算したものです。
 CONTRAILの結果は各空港の上空で得られた二酸化炭素濃度の鉛直分布から、高度別の時間変動を求めて計算したものです。
 上空における季節振幅の南北差は、地表面付近の南北差に比べて小さくなっていることがわかります。詳しくは次ページのSummaryで説明します。
図7
図7 二酸化炭素濃度の南北断面図
 CMEによる大量の観測データから描いた、3月から9月にかけての二酸化炭素濃度の緯度-高度断面図です。赤に近いほど高濃度、青に近いほど低濃度を表しています。
 南北両半球の濃度のコントラストが明瞭に見えるほか、3月から5月にかけては北半球高緯度で対流圏と成層圏の濃度差がはっきりと見られます。この時期、圏界面が大気移動の障壁になっていることがわかります。夏になると対流圏の大気が成層圏に流入して濃度差が小さくなっています。(Sawa et al., 2012より)

地球規模の観測には国際協力が必要

航空機の整備現場で
  • Q:日本からの国際便は世界各地に飛んでいますから、これで世界の大気のことはすべてわかってしまうのでしょうか?
    町田:そういうわけにはいきません。日本の発着便でカバーできる範囲には限界がありますからね。現在では米国の東海岸や南米などのデータが少ないです。ですから、観測範囲をどんどん広げたいです。最近では、ヨーロッパでも定期旅客便を利用したプロジェクトが始まりました。
     ヨーロッパでは、日本ではデータを得られない地域の観測ができます。ヨーロッパのプロジェクトはライバルでもありますが、お互いに協力することで世界中を網羅して観測することができます。特に日本では、アジアや太平洋地域の観測を行うことが、国際貢献になると思っています。
  • Q:国境も大海原も大陸も軽々と超える国際線定期旅客便、そして人と人のつながりで地球規模の環境問題に立ち向かっていくのですね。問題は深刻ですが、夢のある取り組みのお話をありがとうございました。

関連新着情報

関連記事

関連研究報告書