研究者に聞く

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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10km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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。