日本海で海洋の未来を予測する

荒巻

大学受験のときに海洋学の本を読んだことです。海洋環境に興味を持ち水産学部に進学しました。そのころは海流など海洋の物理現象を解明する海洋物理学が盛んでしたが、海洋に存在する物質の量や変化などを化学的手法によって解析することで海洋動態を研究する「化学海洋学」を志し、当時この分野の世界的権威だった先生の研究室に入りました。それ以来ずっと化学海洋学の研究一筋です。

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いいえ、はじめは太平洋の炭素循環を研究していました。その後、日本原子力研究所（当時）に就職して、海洋調査船に乗って、日本海の調査をすることになりました。当時、ソ連が崩壊したときに、放射性物質を日本海に不法投棄したことが大々的に報じられ、大問題になりました。そこで、放射能はどれくらいあるのか、放射性物質はどのように流れるかといったことを調べました。しかし、日本海の調査は地理的な状況から難しいのです。

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日本海は、日本、韓国、北朝鮮、ロシアの四か国に囲まれており国境を接しているので、日本の船で行ける海域が限られるためです。ロシアの沖合に沈められている放射性物質の放射能測定などのより詳しい調査をするには、ロシアと共同研究をしなければなりません。そこで当時の関係省庁に相談し、外務省経由でロシアと国際共同研究をする契約を結ぶことができました。ロシアの船でロシアの海域を、日本の船で日本の海域を観測することで、日本海全域を網羅するという計画になりました。この調査がなければ、日本海を詳しく調べることはできなかったでしょうね。

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いいえ、すでに海洋物理学者の間では「日本海はミニチュア大洋だ」と言われていました。しかし、それを実証する研究はまだ行われていませんでした。私は1996年から日本海の観測を始め、1999 年からさらに詳しく調べることになりました。

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日本海の周縁には、対馬海峡や津軽海峡など大洋と繋がる4つの海峡があります。それらの水深は200m以下と浅いのですが、日本海の一番深いところは4000m近くあります。底の深いバケツのようなつくりで、その表面を対馬海峡からの暖流が流れていますし、北には冷たい海流も流れているので、この表層の海水がフタをした形になり深いところの海水は外部へ出ていくことができません。

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日本海は深さ約300mを境に表層と深層に分けることができ、表層は外洋や大気の影響を大きく受けます。ロシアの沿岸は、冬になると大陸からの冷たい季節風で表層水が冷えます。海水の密度は水温と塩分で決まるのですが、日本海の塩分の変化は非常に小さいので密度は水温によって変化するため、海水が冷たくなると密度が大きくなります。つまり、海水は冬季に冷やされて重くなり、重くなった海水が沈み込みます。かなりの深さがあるにもかかわらず、表層の海水が深海の深いところまで数日程度の時間スケールで一気に沈み込むことが私たちの観測で明らかになりました。
また、日本海の溶存酸素量が他の近海に比べて多いことが知られています。これも酸素の豊富な表層の海水が沈み込むためだと考えられています。同じ緯度、同じ深さの海水でも太平洋にはこんなにたくさんの酸素はありません。大洋では、このような表層の海水の沈み込みが、海水の大循環を引き起こすことが知られています。そのため日本海でも独自の海水の循環があるのではないかと古くから考えられていました。こうした特徴から、日本海は小さいけれども大洋と同じ仕組みを持つ海としてミニチュア大洋と呼ばれているのです。

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大洋の表層には黒潮や親潮のように様々な海流があることはご存知だと思いますが、深層でも海水がゆっくりと循環しています。その出発点になるのが表層水の深い層への沈み込みです。北部北大西洋では、表層が冷却されると表層水は密度を増して海底まで沈み込み、それが赤道を通り過ぎて南極まで流れていきます。さらに南極付近で沈み込んだ海水と合流した流れはインド洋や太平洋まで流れていき、表層付近で浮上します。この大規模な海水の流れを「海洋大循環」と呼んでいます。これはベルトコンベアに例えて、「ベルトコンベアモデル」とも呼ばれています。
私たちが日本海の研究を始めた1999年ごろには、日本海の溶存酸素量が過去20年以上にわたって減少しているという報告がありました。溶存酸素の減少は、日本海で独自に起こる表層水の沈み込みが減っているからではないか、日本海はすでに地球温暖化の影響を受けているのではないかという仮説が研究論文として発表されました。海洋大循環は2000年で一回りすると考えられていますが、日本海の循環はおよそ100年であることが私たちのデータ解析から明らかになっていました。そこで、ミニチュア大洋である日本海の循環を追跡すれば、温暖化の影響が先行して見られるかもしれないと考えました。

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理論的には沈み込みが明らかでも、日本海で本当に沈み込みが起こっているのかどうかは観測した例がないので不明でした。たとえば、表層から海底まで、つまり上から下まで水温や塩分を測定して、同じ値を示せば海水が沈み込んでいることを証明できるのですが、それまではロシアの沖合で観測することができずわからなかったのです。そこで私たちは、ロシアとの国際共同研究をきっかけに、ロシア・ウラジオストク沖で、海水の流れる方向と速度を測定する装置を海中に沈めて、同じ地点の同じ深度で測定できるように長期間係留する観測を開始しました。 2001年の2月に、わずか1週間だけですが前年までとは明らかに異なる流向と流速で大きく動いている記録が残っていました。夏にその海域に行って水温や塩分などを測定したところ、この流速計の真下の海域で前年に比べて大幅に水温が下がり、溶存酸素が増え、さらに塩分が薄くなっていました。2000年から2001年にかけてウラジオストクの冬季の気温を調べてみると、20年間の平均よりも16度も低く、非常に気温が低い冬だったのです。つまり、すごく冷えれば、海底付近まで海水が沈み込んで酸素が増えること、表層の影響が海底直上にまで及ぶことを化学的な分析によってみつけることができたのです。つまり、厳冬の年には海水の深い沈み込みが起こること、その結果として深海に酸素が供給されることを観測事実から証明したのです。私たちの発見は、1999年に論文発表された仮説を間接的に裏付けることになりました。そこで次の疑問、「温暖化によって深海の海水の流れがどのくらい弱まっているか」を突き止めるために、海水の動きを詳しく調べることにしました。

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これまで炭素の放射性同位体“炭素14”やフロンを測定して、海水中の水や物質の循環を調べていました。そして、深層循環に必要な時間の短い日本海ならば、海水の年齢も推定できるのではないかと考えました。海水の年齢がわかれば、この海水がいつ沈み込んでどこをどのように流れているのかという海水の動きを知ることができるはずです。炭素14は、放射性崩壊によって約5700年でその量が半分になります。大気中の二酸化炭素にはほぼ一定量の炭素14が含まれているので、大気と接している表層水に含まれる炭素14の量は大気と同じになります。ところが海洋に取り込まれると、炭素14は放射性崩壊で量を減らしていくだけなので、海水中の炭素14の量がわかると、その海水が海面を離れてからの経過時間（海水の年齢）が推定できます。いろいろな要因もあるので、あくまでもそれは見かけ上のものですが、それでも十分に海水の流れは推定できます。ただし、核実験が頻繁に実施された1950年代以降は大気中に炭素14が大量に放出されたため、それ以降に海洋に取り込まれた海水の年齢は見積もることができません。私が学生の頃は、炭素14の測定には200ℓの海水が必要でしたが、現在は分析方法の改良により100mℓで測定できるようになりました。
さらに海水中のフロンも測定します。フロンはとても安定していてほかの物質と反応しません。フロンは1930年代に開発が進み、種類が増えた上に、大気中のそれぞれの濃度が明らかになっているので、海水中の各フロンの濃度比を正確に測定できれば、この海水がいつごろ海面にあったのかがわかります。フロンはすでに使用禁止になりましたが、炭素14とフロンを組み合わせて調べると、核実験開始以降の海水の動きをみるのにたいへん役立ちます。

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研究所には船がないので、共同研究先の船のスケジュールに合わせていますが、少なくとも年に2回は必ず調査に行きます。調査時は日本海上に設けた観測定点に必ず立ち寄って、12～24本の蓋つきの採水器のついた装置を海底直上まで下ろして狙った深度の海水を採取します。さらに、大学の練習船に協力して頂き、船に様々な測定機器を常時搭載して、表層の水温、塩分、二酸化炭素分圧、さらにはpHなどを、船の航行中に1分おきに連続測定しています。

船上での観測の様子

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測定項目によっては海水を空気に触れさせてはいけないものもあるので、とても気をつかいます。多くの分析は実験室に持ち帰って行いますが、保存できないサンプルは船上で分析します。とくに大変なのは溶存酸素濃度の測定で、海水の採取後12時間以内に測定しなければなりません。採水器での海水サンプルの採取には、装置の上げ下ろしだけで最低でも2時間、海水サンプルを各種分析用に取り分けるのに1～2時間を要します。その後に分析を始めるのですが、採水器を船上に上げると船は次の観測点に向かって走り出すので、分析の途中で次の観測点に到着するようなこともよくあります。そのため、観測を開始すると寝る時間はほとんどなくなります。
私が学生の頃、太平洋の観測では最初の観測点に着くまでに1～2日、広い海域を網羅するので1～2か月かけて5～10観測点の調査を行っていました。それに比べると日本海は小さいので、出港した日のうちに最初の観測点に到着して、だいたい1週間もあれば調査に必要なサンプルを集めることができます。苦労はありますが、時間的には研究しやすいですね。

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海水の沈み込みの勢いが弱まっていることです。すでに述べたように2000年から2001年にかけての冬は、深い沈み込みの現象がみられたので完全に止まったわけではないのですが、少なくとも最近40年くらいは沈み込みがほとんど止まっている状態といえます。沈み込みが弱くなれば、流れも遅くなりますし、表層の水が海底付近には届きませんから、溶存酸素の供給も減ることになります。観測データからも1960年代から現在に至るまで溶存酸素の量が減っているのがわかります。プランクトンなどの死骸をバクテリアが分解するには酸素が必要ですが、酸素の供給量より消費量が上回るために溶存酸素が減っていくのです。ミニチュア大洋である日本海には、すでに地球温暖化の影響が出てきていると考えられます。

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まだ表層の生物には温暖化の大きな影響は出ていませんが、海域によってはすでに影響があるようです。それが報道されると、研究所に問い合わせがくることがあります。以前、千葉の居酒屋さんから「氷見（富山県）のブリの値段が上がっているのも温暖化と関係があるのか」と電話がありました。ブリは冬になると産卵のために北海道から日本海を南下するのですが、海水の温度が上がったために回遊の状況が変わって氷見では不漁になる年があるようです。一方、北海道でこれまで見られなかったブリが水揚げされるようになりました。北海道では、馴染みのない魚なので当時は流通されずに捨てられていたとのことですが、近年ようやくブランド化されて人気があるそうです。今後は、こうした生態系への影響のシミュレーションなどにも私たちのデータが使われるといいなと思っています。

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ここで述べたように、生態系への影響を詳しく調べていきたいです。これまで、化学海洋学の研究を志し、日本海の海水の沈み込みという現象をとらえることができたのはとてもうれしいことでした。ただ、自分たちで船を動かして調査できる期間は限られているので、気にかかるのは後継者です。私たちが先人の観測データを使わせてもらったように、私たちのデータも誰かに引き継いで、観測が続いていかなければ将来の成果につながりませんからね。私たちの研究が、地球温暖化の影響など海洋の未来予測につながることを期待しています。