研究者に聞く！！
秋吉英治
大気圏環境研究領域 主任研究員
永島達也
アジア自然共生研究グループ 研究員
環境儀では「オゾン層の機構解明」を10号で掲載しました。そこでは世界的にも難しかった宇宙からの人工衛星センサーによる成層圏の高度別オゾン濃度の測定が、ゾンデ（気球観測）並みの精度で可能となり、その成果としてオゾン層破壊の実際の状況を見ました。
今回は第二弾として、観測だけでは知ることのできないオゾン層の詳細な動向を解明するモデル研究の考え方や、今後オゾン層はどうなっていくのか、などをお聞きしました。
世界に貢献する－3次元化学モデル
1: 研究までの道程
Q: まず、研究者となったきっかけからお願いします。
秋吉： 私は大学では物理学科の地球物理学講座に在籍していましたが、実験室にこもって研究するようなミクロな分野にはあまり興味が持てず、屋外へ出て研究をしたいと考え大気の分野へ進みました。
1982年に、気象研究所の忠鉢繁博士が世界に先がけてオゾンホールを観測しましたが、その頃、私は大学院に在学中でした。
Q: まさに、オゾン層破壊が注目された頃ですね。
秋吉： そうです。レーザーレーダー（ライダー）で成層圏エアロゾルの研究をしていました。ライダーとは、地上から天頂へ向けてレーザー光線を一直線に飛ばし、その反射光から大気のエアロゾルの状態を捉える装置です（環境儀第8号7頁参照。http：//www.nies. go.jp/kanko/kankyogi/08/07.html）。上空のエアロゾルは、ある程度の時間が経つといろいろな変動が起こります。ところが、ライダーでは直線上の様子しか分かりません。つまり1次元です。観測データを検討しているときに、「エアロゾルが増えたのはたぶん南風が吹いていたから、あるいは減ったのは北風が吹いていたから」、など何となく推測はつきますが、どうしても全体が見えないこともあり、非常にもどかしい思いをしていました。エアロゾルの動きを3次元でシミュレーションできれば、と思っていました。
永島： 私は高校の頃地学や地理が好きだったので、地学系の講座がある大学へ進みました。とくに研究者になろうなどとは考えていませんでしたが、学部の卒論がうまくいかず、納得できる道を求めて修士課程へ進みました。そこで、指導教官からモデルを使ってオゾンホールを再現するというテーマが与えられました。ところが、それもうまくいかなかったのです。悔しかった。そこで、博士課程に進み再度挑戦しました。粘り強く取り組んだ結果、なんとか再現に成功することができました。今思うと、失敗にめげずしぶとく研究を続けた結果、いつの間にか研究者の道に進んでいたという感じがします。
オゾン層の話
オゾンは、4つの基本的な光化学反応によって赤道近くの上部成層圏（40km以上）で多く発生し極方向へ少しずつ流されていきます。運ばれながら次第に下降し、光化学反応をあまり受けなくなって下部成層圏（25km以下）に多く留まります。高緯度ではオゾンがより多く溜まってその濃度が高くなります。
●オゾンの生成：
大気中の酸素分子は、太陽の紫外線を吸収して2つの酸素原子に分解します（図の①）。酸素原子は別の酸素分子と反応してオゾンになります②。オゾンは紫外線を吸収し酸素原子と酸素分子に分かれます③。②③の反応は速く、熱帯の高度40km付近では、①が1回起こる間に数百回程度繰り返します。やがて、オゾンは酸素原子と反応して2つの酸素分子に戻ります。②③の反応ではオゾンの生成と消滅が非常に速く繰り返され、紫外線と気温の速い変動に応じてオゾン濃度も変化しますが、一日以上の少し長い時間スケールで見たときには結局、①がオゾン生成の速さを決め、④がオゾン消滅の速さを決めることになります。
●フロンによるオゾン層の破壊：
フロン分子は紫外線を吸収して塩素原子を遊離します。その塩素原子はすぐにオゾン分子と反応して一酸化塩素を生成します⑤。一酸化塩素分子は酸素原子と反応して元の塩素原子に戻ります。⑤⑥の過程でオゾン分子、オゾンを生成する酸素原子を1個ずつ破壊します。その後塩素原子は、新たなオゾンと結びつきオゾンを次々に破壊していくのです。
塩素原子は、それ自身は変わらず接触する物質（オゾン）の化学反応を促進する触媒です。塩素原子一つで数万個のオゾン分子を破壊するといわれています。
ここで、⑤⑥の化学式を足してみましょう。そして、矢印の左側にある反応物質と右側の生成物質に同じ原子・分子が出てきた場合はそれを消去してみましょう（⑦、⑧、⑨）。すると、⑨は見かけ上④と同じ形となります。このように酸素原子以外の原子・分子によるオゾン破壊の効果も④の形で表現されることが多く、それゆえ④はオゾンの消滅反応として重要な形なのです。
ふつうは何らかの原因でオゾンが減少しても、化学反応系自身が持つフィードバックがかかってオゾン層が一方的に破壊されることはありません。9月～10月の南極上空は①によるオゾンの生成が少ないうえに、極渦（冬季の成層圏に生じる極を中心とした大規模な渦）の発達によって赤道や中緯度地域からのオゾンの供給が断たれ、そのうえに、極成層圏雲を介した特殊な化学反応によって④の形の反応が異常に速くなり、オゾン層破壊が一方的に進む特殊な状況なのです。
●地球温暖化とオゾン層
温室効果ガスが増加すると対流圏では温暖化が進みますが、成層圏は逆に寒冷化します。成層圏の温度は、オゾン層の太陽光吸収による加熱とCO2の赤外線放出による冷却のバランスによって決まっています。成層圏でCO2が増加すると、その分多くの赤外線を放出して気温が下がり、オゾンによる加熱とCO2による冷却がより低い温度で落ち着きます。下部成層圏が約－80℃以下になると極成層圏雲（PSC）（環境儀10号7頁参照、http：//www.nies.go.jp/kanko/kankyogi/10/07.html）が発生して、塩素濃度の高い状況ではオゾン層破壊がより促進されます。一方、フロン規制により塩素濃度が低くなった上部成層圏では気温の低下に伴って②の活動が活発となり④の活動が停滞するため、オゾンの発生が増えると予測されます。