海洋脱酸素化のフィードバック：温暖化が海の酸素環境に与える影響
海洋脱酸素化とは何か
地球温暖化の進行は、海にも様々な影響を与えています。海水温の上昇、海面上昇、海洋酸性化などがよく知られていますが、もう一つ深刻な影響として「海洋脱酸素化」が挙げられます。海洋脱酸素化とは、海水中の溶存酸素濃度が広範囲にわたって低下する現象です。酸素は海洋生物が呼吸するために不可欠であり、その濃度の変化は海洋生態系に大きな影響を与えます。
この海洋脱酸素化もまた、気候変動と複雑なフィードバックループを形成しています。つまり、気候変動が脱酸素化を引き起こし、その結果生じた脱酸素化が再び気候変動に影響を及ぼす可能性があるということです。本稿では、この海洋脱酸素化が関わるフィードバックループのメカニズムと、その重要性について解説します。
温暖化はなぜ海の酸素を減らすのか
温暖化が海洋の溶存酸素濃度を低下させる主なメカニズムはいくつかあります。
- 酸素の溶解度低下: 海水温が上昇すると、水中に溶け込むことができる気体（酸素を含む）の量は減少します。これは物理的な法則に基づいています。例えば、温かい飲み物よりも冷たい飲み物の方が炭酸ガスが溶けやすいのと似ています。
- 海洋成層の強化: 温暖化は海洋表層をより暖かくします。この暖かい軽い海水層が、冷たい重い深層の海水と混ざりにくくします。この現象を「海洋成層の強化」と呼びます。層状の構造が強まることで、大気から酸素が取り込まれる表層水と、酸素が消費される深層水との間の鉛直混合（上下の水の循環）が抑制されます。これにより、深層や中層への酸素供給が滞り、これらの層で脱酸素化が進行しやすくなります。
- 酸素消費の増加: 海水温の上昇は、海洋生物や微生物の代謝活動を活発にします。代謝活動が活発になれば、呼吸による酸素消費量も増加します。特に有機物の分解に関わる微生物の酸素消費増加は、水塊中の酸素を減少させる要因となります。
- 海洋循環の変化: 大規模な海洋循環（例えば、深層循環）は、酸素に富んだ表層水を深層に輸送する役割を担っています。気候変動はこれらの海洋循環のパターンや強さを変化させる可能性があり、これも酸素輸送に影響を与え、特定の海域での脱酸素化を進行させる要因となり得ます。
これらの要因が複合的に作用することで、海洋全体、特に中層や深層において溶存酸素濃度の低下が観測されています。
海洋脱酸素化が引き起こすフィードバックループ
海洋脱酸素化は、それ自体が気候システムに影響を及ぼすいくつかのフィードバックループに関与しています。ここではその代表的なメカニズムをいくつかご紹介します。
1. 温室効果ガス（特にN₂O）生成の変化を介したフィードバック（正のフィードバック）
海洋中の酸素濃度が低下すると、微生物の活動に変化が生じます。特に、酸素が少ないまたは全く存在しない環境（貧酸素・無酸素環境）では、「脱窒」と呼ばれるプロセスが活発になることがあります。脱窒は、硝酸塩（NO₃⁻）を最終的に窒素ガス（N₂）に還元する反応ですが、その中間段階で強力な温室効果ガスである亜酸化窒素（N₂O）が生成されます。
このプロセスをフィードバックループとして整理すると、以下のようになります。
- 温暖化が進行する。
- 海洋脱酸素化が進行する（溶解度低下、成層強化、循環変化などによる）。
- 貧酸素・無酸素海域が増加し、微生物による脱窒プロセスが活発になる。
- 脱窒の過程で亜酸化窒素（N₂O）の生成量が増加する。
- 生成されたN₂Oが大気中に放出される。
- N₂OはCO₂の約300倍の温室効果を持つため、大気中のN₂O増加は温暖化をさらに加速させる。
これは典型的な正のフィードバックループであり、温暖化が脱酸素化を引き起こし、その脱酸素化がさらに温暖化を強めるというメカニズムです。
2. 生物多様性・生態系変化を介したフィードバック
海洋脱酸素化は海洋生物に深刻な影響を与えます。酸素を多く必要とする大型魚類や無脊椎動物は、貧酸素海域を避けるか、生息できなくなります。これにより、生物の分布が変化したり、個体数が減少したり、あるいは大量死が発生したりします。結果として、特定の海域の生物群集構造が大きく変化します。
この生態系の変化もまた、フィードバックループにつながる可能性があります。
- 温暖化が進行する。
- 海洋脱酸素化が進行し、生物多様性が低下したり、生物群集構造が変化したりする。
- 海洋生態系は、炭素を大気から吸収し、海底や深層に輸送する「生物ポンプ」と呼ばれる重要な役割を担っています。生物群集の変化は、この生物ポンプの効率に影響を与える可能性があります。
- 生物ポンプの効率が低下すると、大気中のCO₂が海洋によって吸収・隔離される量が減少し、大気中のCO₂濃度が高まる可能性があります。
- 大気中のCO₂増加は、さらなる温暖化を引き起こす可能性があります。
このループの具体的な効果（正のフィードバックか負のフィードバックか、あるいはその複合的な影響か）や強さは、どの生物群がどのように影響を受けるか、そしてその生態系における役割がどう変化するかによって大きく異なり、まだ研究が進められている段階です。しかし、海洋生態系の健全性が地球の炭素循環に深く関わっていることを考えれば、重要なフィードバック経路となり得ます。
複雑性と他の環境問題との関連
海洋脱酸素化は単独で進行しているわけではありません。前述のように温暖化と密接に関連しており、さらに海洋酸性化とも同時に進行することが多い現象です。CO₂が大気から海洋に吸収されることで海洋酸性化が進行しますが、CO₂の吸収は海水温が低いほど、また酸素濃度が高いほど促進される傾向があります。脱酸素化が進むと、海水の化学組成が変化し、炭素循環に関わる様々なプロセス（例えば、炭酸カルシウムの溶解度など）にも影響を与える可能性があります。
また、沿岸域では、人間活動による栄養塩の負荷増加（富栄養化）も脱酸素化（貧酸素化）の主要な原因となります。温暖化による脱酸素化と沿岸域の富栄養化による貧酸素化が複合的に作用し、沿岸生態系に深刻な影響を与えるフィードバックループを形成することも考えられます。
研究の現状と課題
海洋脱酸素化とそのフィードバックに関する研究は、近年急速に進展しています。しかし、広大な海洋の酸素濃度を継続的に観測することの難しさや、複雑な海洋物理・化学・生物プロセスを正確にモデル化することの困難さから、まだ不確実性も多く存在します。特に、貧酸素環境下での微生物活動やN₂O生成メカニズム、そしてそれが地球規模の気候システムに与える影響の定量的な評価は、今後の重要な研究課題です。
これらのフィードバックループを理解することは、将来の気候変動予測の精度を高め、海洋生態系保全のための効果的な対策を立案する上で極めて重要です。例えば、亜酸化窒素の生成を抑制するためには、海洋の酸素状態を改善する必要がありますが、そのためには根本原因である温暖化の抑制が不可欠となります。
まとめ
海洋脱酸素化は、地球温暖化の重要な影響の一つであり、特に温室効果ガスである亜酸化窒素の生成増加を介した正のフィードバックによって、さらに温暖化を加速させる可能性があります。また、海洋生態系の変化を通じて炭素循環に影響を与えるフィードバックも示唆されています。これらのフィードバックループは、温暖化、海洋酸性化、生態系変化といった他の環境問題とも複雑に絡み合っており、その全体像の理解には学際的なアプローチが不可欠です。
海洋物理学、海洋化学、海洋生物学といった分野の研究が連携することで、海洋脱酸素化のフィードバックループの仕組みや将来的な影響に関する理解はさらに深まるでしょう。これは、持続可能な海洋管理と気候変動対策を考える上での重要な基盤となります。