環境フィードバックループ入門

海洋生物ポンプの気候フィードバック：深層炭素隔離メカニズムの変容

Tags: 海洋生物ポンプ, 気候変動, 炭素循環, 海洋生態系, フィードバックループ

はじめに：地球の炭素循環における海洋の役割

地球の気候システムを理解する上で、炭素循環は不可欠な要素です。大気中の二酸化炭素（CO2）濃度は、温室効果を通じて地球の温度を左右し、その変動には海洋が大きな役割を担っています。海洋は、大気中のCO2を吸収し、蓄積する巨大な貯蔵庫であり、その吸収・放出プロセスは物理的、化学的、そして生物学的なメカニズムによって複雑に制御されています。

本稿では、海洋における生物学的な炭素隔離の主要なメカニズムである「海洋生物ポンプ」に焦点を当てます。この生物ポンプがどのように炭素を深層へと輸送・隔離しているのか、そして気候変動がこのメカニズムにどのようなフィードバックを与え、その機能を変化させているのかについて、基礎から分かりやすく解説いたします。

海洋生物ポンプとは何か

海洋生物ポンプとは、海洋表層で光合成によって固定された炭素が、有機物の形で深層へと輸送され、長期間隔離される一連の生物地球化学的プロセスを指します。これは、地球の気候を調節する上で極めて重要な自然のシステムであり、大気中のCO2濃度を低く保つことに貢献しています。

生物ポンプの主要なメカニズム

海洋生物ポンプは、主に以下のプロセスから構成されます。

  1. 表層での炭素固定（一次生産）: 海洋表層に生息する植物プランクトンは、太陽光と溶存栄養塩を利用して光合成を行い、大気中のCO2を吸収して有機炭素を生成します。この一次生産が、生物ポンプの出発点となります。

  2. 有機物の沈降と輸送（エクスポート）: 植物プランクトンの死骸、動物プランクトンの糞粒、あるいはこれらの有機物が凝集した「マリンスノー」と呼ばれる粒子は、海洋表層から深層へと沈降します。この沈降過程が、炭素を深層へと輸送する主要な経路です。沈降速度は粒子サイズや密度に依存し、大きな粒子ほど速く沈降します。

  3. 深層での炭素隔離: 沈降した有機物の大部分は、深層に到達するまでに微生物によって分解され、CO2として溶存態炭素プールに戻されます。しかし、一部の有機物は非常に深い層にまで到達し、その場に留まるか、あるいは海底堆積物として埋没します。海底に埋没した炭素は、数千年から数百万年といった地質学的タイムスケールで隔離されます。

この一連のプロセスは、あたかも海洋が自らCO2を「汲み上げて」深層に貯蔵するポンプのように機能していると考えると分かりやすいでしょう。

気候変動が生物ポンプに与えるフィードバック

生物ポンプは、大気中のCO2を吸収することで気候変動を緩和する役割を担っていますが、同時に気候変動の影響を受けてその機能が変化し、地球の温暖化を加速または減速させるフィードバックループを形成する可能性があります。

1. 海洋成層化の強化による負のフィードバックの減衰

地球温暖化は海洋表層の水温を上昇させ、海洋の成層化（層状構造の強化）を促します。これは、暖かい表層水と冷たい深層水の密度差を大きくし、両者の鉛直混合を抑制します。結果として、深層から表層への栄養塩（窒素、リン、ケイ素など）の供給が滞り、植物プランクトンの生産性が低下します。植物プランクトンの減少は、一次生産による炭素固定能力の低下、ひいては生物ポンプによる深層への炭素エクスポート量の減少を招きます。このプロセスは、大気中のCO2濃度をさらに上昇させ、温暖化を加速させる「正のフィードバック」として機能する可能性があります。

2. 海洋酸性化による生物ポンプ機能への影響

大気中のCO2の増加は、海洋へのCO2吸収量を増やし、海洋のpHを低下させる海洋酸性化を引き起こします。海洋酸性化は、特に炭酸カルシウムを骨格や殻として利用する生物に深刻な影響を与えます。例えば、円石藻や有孔虫といったプランクトンは、炭酸カルシウムの殻を形成することで、有機炭素だけでなく無機炭素の沈降（炭酸ポンプ）にも寄与しています。酸性化によってこれらの生物の殻形成が阻害されると、海洋生物ポンプ全体の効率が低下し、深層への炭素隔離能力が減少する可能性があります。これは、さらなるCO2の大気中蓄積を促す「正のフィードバック」となり得ます。

3. 海洋循環の変化と生物ポンプ

気候変動は、エルニーニョ・南方振動（ENSO）のような短期的な気候現象から、大西洋子午面循環（AMOC）のような数十年スケールの深層循環に至るまで、海洋の大規模な循環システムに影響を及ぼす可能性があります。海洋循環は、栄養塩の分布や熱の輸送、そして深層水の滞留時間に直接影響を与えるため、その変化は生物ポンプの空間的・時間的な効率を大きく変え得る要因となります。例えば、深層循環の弱化は、深層水中の炭素の滞留時間を延ばし、一時的に炭素隔離を促進する可能性もあれば、表層への栄養塩供給を減らすことで生物ポンプの効率を低下させる可能性もあります。これらの相互作用は複雑であり、その影響の全容解明にはさらなる研究が必要です。

生物ポンプの脆弱性と複合的な影響

上述した温暖化、酸性化、そして海洋循環の変化といった気候変動の複数の側面は、海洋生物ポンプに対して単独ではなく複合的に作用し、その機能に深刻な影響を与える可能性があります。例えば、水温上昇と栄養塩供給の変化は、植物プランクトンの群集構造を変化させ、特定の種が優占するようになることで、炭素エクスポート効率が大きく変動する可能性があります。また、海洋の貧酸素化も、有機物の分解プロセスに影響を与え、深層における炭素の再循環に変化をもたらすことが示唆されています。

このような生物ポンプの脆弱性は、将来の地球の炭素循環と気候変動の軌跡に大きな不確実性をもたらします。生物ポンプの効率が低下すれば、大気中のCO2濃度が予測以上に上昇し、温暖化がさらに加速するリスクが高まります。

関連研究と今後の課題

海洋生物ポンプの機能と気候変動に対する応答に関する研究は、衛星観測、船上調査、自律型観測機器、そして複雑な地球システムモデルや海洋生態系モデルを用いたシミュレーションによって進められています。特に、気候変動シナリオの下での生物ポンプの将来予測は、依然として大きな不確実性を伴う研究課題であり、海洋生態系と物質循環の相互作用をより詳細に理解することが求められています。

今後の研究では、地域スケールでの生物ポンプの変動メカニズムの解明、複数の環境ストレスに対する生物ポンプの応答の評価、そして微細な海洋生物群集の多様性が炭素循環に与える影響の定量化などが重要な課題として挙げられます。これらの知見は、地球規模の炭素収支をより正確に評価し、将来の気候変動予測の精度を向上させる上で不可欠です。

まとめ

海洋生物ポンプは、地球の炭素循環において深層への炭素隔離という極めて重要な役割を担っており、長期間にわたり大気中のCO2濃度を低く保つことに貢献してきました。しかし、地球温暖化や海洋酸性化といった人為的な気候変動は、海洋生物ポンプのメカニズムに複雑なフィードバックを与え、その機能を変化させる可能性を秘めています。

この生物ポンプの機能低下は、さらなる温暖化を招く正のフィードバックとなり得ることから、その脆弱性を理解し、持続可能な海洋管理に向けた知見を深めることは、将来の地球環境を考える上で極めて重要です。海洋における生物地球化学的プロセスの相互関連性を総合的に理解し、その変動を予測する能力を高めることが、効果的な気候変動対策の策定に繋がると考えられます。