北極海での観測研究のこれまでの流れ （Ⅲ）自立期－4：海氷がなくなったところで何が起きた？

2023年4月21日

地球環境部門 北極環境変動総合研究センター センター長/
北極域研究船推進部 国際観測計画グループ
グループリーダー
菊地 隆

　本稿では、これまでの北極海の観測研究の流れについて、主にJAMSTECおよび日本の活動を中心に記述します。図１は、人工衛星で得られた北極海で9月に観測される年最小海氷面積の経年変化のグラフに北極海での観測研究のこれまでの概要を記したものです。1970年代に人工衛星による海氷観測が始まってから現在までを4つの時期に分け、それぞれの時期で何を目的とし、どのような観測研究を行ってきたのかをまとめます。

Ⅲ：自立期（その4: 海氷がなくなって何が起きた？…うずうずな話）

　少し間が空きましたが、前節（Ⅲ－３）に続いて、研究の話を書いていこうと思います。

 　前節で記したように、私たちは、海氷が急速に減少していく時期に、海洋地球研究船「みらい」や漂流ブイを用いて国際連携のもとでデータや知見を積み重ねていきました。そして北極海の海氷が減少するメカニズムについて、温暖化に伴う海氷の融解の増加や結氷の減少だけでなく、太平洋側から流入した暖かい水塊によるフィードバック機構や北極海からの海氷の流出の影響などが重要であることを示す成果を発表していきました。
　さらに海洋地球研究船「みらい」による太平洋側北極海での観測を進めていたのですが、やはり砕氷船でないため海氷に覆われた海域では観測をすることができません。海氷があるところで起きている現象を知ることはできません。しかし考え方を変えてみました。海氷減少が進む中で、「みらい」の活動範囲は広がっていきました。その広がった場所は、海氷が溶けてなくなった場所です。そこを調べることで、海氷がなくなるとどんなことが起きるのか、と言った海氷減少の影響を調べることに注目しました。その「みらい」で得られたデータと、国際連携で得られたデータを合わせて調べることで、海氷がなくなる海域で起きる現象に関する成果を公表していったのです。この記事では、そのような「海氷がなくなると何がおきるのか/どうなるのか」についての2010年前後の研究成果のハイライトをいくつか紹介したいと思います。

　Ⅲ-2で示しましたが、2008年、2009年(図2)、2010年の「みらい」北極航海では、海氷がなくなった海域を広くカバーしてデータを得ることを目的の1つとしていたことから、（結果的に）毎年最北観測記録を更新していました。2010年の北緯79度11分が「みらい」北極航海の最北記録になります。これ以降最北記録が更新されなくなったのは、観測目的が変わった(対象海域を決めて観測をした)ことが大きな要因なのですが、それはまた先の話。とにかく海氷がなくなった広い海域を観測していました。
　その2010年の航海ですが、海の上も下も(なんのこっちゃ…笑)、面白い現象が観測された年でもありました。まず海の上の話ですが、北極海の気象の話になります。これまでの北極海は多くの場所が海氷に覆われていました。海氷がなくなったところもそれほど水温は高くなく、そこでできる雲も層雲などの薄い雲がほとんどでした。ところが海氷減少が進み、海水温が上がり、温かい海と冷たい大気の温度差が大きくなると、それまで北極では見られなかった温帯域のような低気圧が起きえると想像されました。しかし観測は乏しく、知見が足りていませんでした。これに応えたのが「みらい」だったのです。「みらい」に搭載されたドップラーレーダーがその威力を発揮した成果だといえます。

　まず2009年の航海でPolar Lowと呼ばれる小さな低気圧の発達を捉えることができました(i)。Polar Lowとは、比較的空間スケールが小さく寿命が短い、しかし渦を巻く低気圧です。2009年の航海でチュクチ海の往復観測をしていた際に、図3に示すようなPolar Lowの発達を捉えることができました。そのスケールは約600km程度。雲の写真とドップラーレーダーの観測データがPolar Lowの発達の様子を示しています。北極海でも渦を巻くような低気圧ができること、その際に海から大気に熱が放出される一方で、生成には広い大気循環場と関係していることなどを、初めて現場観測から示しました。

　そして続く2010年の航海では….、北緯79度付近を観測していた頃に、寒冷前線と温暖前線を伴う低気圧が発生する兆候を見つけました。この低気圧は発生地点から南東方向に移動しながら2日間で中緯度の温帯性低気圧と同等の規模にまで発達したのです。そしてその過程を「みらい」に搭載されたドップラーレーダーやラジオゾンデによる観測などによって詳細に捉えることができました。図4は9月24日に得られたドップラーレーダーの図を人工衛星の雲の写真に重ねたものです。図3と比べても、とても大きく立派な低気圧があることが分かります。このような低気圧の発達は、海洋から大気への熱の放出を促し、北極の温暖化増幅に関わると考えられます。このような北極海上での低気圧の発達については、この成果に関するジュニア向けの解説がJAMSTECのホームページにありますので、よろしければそちらをご覧ください(iv)。

　ちなみにこのような北極海上の低気圧の発達については後日談があります。これらの論文が発表されて、低気圧の発達が話題になった中で、2012年8月に”Great Arctic Cyclone”と呼ばれる低気圧が発生・発達しました。2012年は図1に示す通り、これまでで最も海氷面積が少なくなった年です。最も少なくなった理由は単純ではないのですが、その要因の一つとしてこのGreat Arctic Cycloneの影響が考えられています。図5はNSIDC(National Snow and Ice Data Center)が出している海氷レポート(Arctic Sea Ice News and Analysis)の2012年8月14日版で示された図です(v)。カナダ気象センターが出している天気図ですが、北極海中央部に中心を持つ中心気圧が964HPsまで発達した低気圧があることが分かります。そして8月4日から9日の間に海氷密接度が広い海域で減少したことが分かります。この低気圧の発達に伴う南からの暖かい空気の流入が海氷の融解・減少を促進したと考えられました。そしてこの1ヶ月後に到達した最小面積は、それまでの最小面積だった2007年を 約80万km2(日本の面積の約2倍)も下回る記録になりました。この年は海水温も高くなったことも海氷面積が激減した理由ではあるのですが、このGreat Arctic Cycloneのインパクトは大きかったと思います。

　ここまでの話が、海の上の話、低気圧の渦の話でした。そしてここからが海の下の話、海洋の渦の話になります。
2010年の「みらい」北極航海において、いつもと同じようにチュクチ海とボーフォート海の間の陸棚斜面域を観測していた際に、渦状の構造を見つけました。海洋には周りと異なる特徴を持つ海水が溜まった渦状の構造が流れの不安定などで生じて、いろんなところにあります。北極海でも、特にアラスカ沖のカナダ海盆には渦状の構造はよく見かけられました。ただし物理上の理由（表層の塩分が低く下層との密度の差が大きい(成層が強い)ことや、コリオリの力(地球の自転の影響)が強いことなど、これ以上の物理的な詳細は省きます、ご容赦を…）から日本近海などと比べて渦の大きさは小さくなる（数kmから大きくても10数km程度）ことが特徴の一つでした。ところがこの時に観測された渦の大きさは約70kmもあり、中心の水温が最高で +7℃近くもありました。周りの海水温が氷点下にもかかわらずです。暖水渦と呼ばれるもので、ふだん北極海で見かける渦の数倍もの大きさと巨大な熱量を持っていました。そこで2010年の「みらい」北極航海では、急遽この暖水渦の詳細な観測を行いました。図6, 7がその観測結果を記したものです(vi, vii)。

　詳細な観測から、大きさが約70kmと北極海としては極めて巨大な渦であること、中心の最高水温が約+7℃の北極海としてはすごく高温の暖水渦であること、陸棚域を起源とする栄養分(アンモニアなど)に富んだ海水でできていること（図は省略）、そして渦の上層（有光層：光が届く深さまで）ではアンモニアを栄養分とする小型の植物プランクトン(鞭毛藻など)が多いことが分かりました。
　北極海（特に太平洋側）では2000年代に海氷融解が進んだためその溶け水がたまり、表層に低塩分で栄養分の少ない海水が広がるようになってきました。以前は表層にも栄養分が十分にあり珪藻などの大型のプランクトンがいたのですが、その後溶け水が増えたため栄養分が低下しプランクトンが見られなくなったのでした。今回の暖水渦の調査から、陸域起源の海水を持つ渦は海氷減少で栄養分が減った海域に栄養分を供給し、プランクトンが生息できる環境を作ったと言えます。海洋の渦に注目が集まる大きな観測・研究成果でした。プレス発表もして、新聞などのメディアにも取り上げてもらいました。反響も大きく、うれしかったです。ただ発表へのコメントを見ていたら、北極海に“渦”と書かれているのを読んで、鳴門の渦潮のようなものを想像した方もおられたようで...、さすがにそれはちょっとスケールが違いすぎます。そこまで流れは速くないです…。うまく伝えることの難しさも実感しました。はい、気をつけてやっていきます。 

　ところで、海氷がなくなると北極海の海洋生態系はどうなるのでしょうか。特にその底辺を支える植物プランクトンの繁殖 (基礎生産)がどうなるのかは議論になるところです。図8は海氷が減ることで基礎生産がどのように変化するかをまとめた模式図です。基礎生産に必要となるものは、光と栄養分。これらがどのように供給されるのかが問題となります。海氷が減少することは、これまで光を閉ざす蓋の役割をしていたものがなくなるという点で光環境が改善することに繋がります。そこに栄養分がたくさんあれば、基礎生産が活発化します(図8左図)。一方で、海氷が溶けることは溶け水がでることを意味します。そのような溶け水が溜まれば、塩分も栄養分の濃度も低くなります。密度の差が大きくなり、栄養分豊富な下層や周りからの流入や混合も難しくなるために、栄養分が足りず基礎生産は低下します(図8右図)。つまり海氷が減るだけでなく、海洋環境がどのようになるかも重要な観点になります。

　Ⅲ－2で書いたように、2002年から日本-カナダの連携による太平洋側北極海での観測を行ってきました。そこで得られたデータを用いて2000年代の栄養分の分布と基礎生産の変化を示したのが図9です。色は栄養分の多さを示し、寒色系が栄養分が低いことを、暖色系が栄養分が多いことを表しています。色の違いから、2002-2003年と2009-2010年を比べると、この間にシベリア側で富栄養化が、カナダ側で貧栄養化が進んだことが分かります。これは海氷減少に伴って海氷融解水などの淡水がカナダ側に溜まり海洋循環が強まったためであることが示されました(viii)。その結果、ボーフォート循環と呼ばれる時計回りの海洋循環の内側(カナダ側)では基礎生産が低くなりました。一方、ボーフォート循環の外側(シベリア側)では基礎生産が活発化しました。それぞれ図8の右図・左図の状況になった訳です。海氷減少に伴う生態系への影響という観点でこれは大きな成果でした。

　なお、貧栄養化が進み基礎生産が低下するとされたカナダ側北極海について、この循環の中にどのようにすれば栄養分が供給できるのかが議論になりました。そしてその栄養分の輸送に図7に示したような渦が重要であることがこのあとの調査から明らかになります。渦が大陸棚上にある栄養分の豊富な海水や物質を海盆域に輸送するのです。その際にはアラスカ沖での渦の生成が物理的に重要となり(ix)、生物地球化学的に北極海の生態系を支える鍵となります。やはり海洋の渦は大切なのです。その話題はまた後の記事で記す予定です。 

　このように海氷融解に伴って海氷の解け水や河川からの淡水がカナダ側北極海に溜まっていったことは、違う観点からも北極海の海洋生態系に大きな影響を与えることがこの時期の成果として示されました。「海洋酸性化」の問題です。本稿での研究成果紹介の最後として、北極海カナダ海盆での海洋酸性化の進行と生物への影響の話を記します。
　海洋酸性化は、大気中に増加した二酸化炭素濃度を海洋が吸収することによって、アルカリ性を示す海水が酸性側に近づくことを言います。例えば日本近海の海面付近のpHはおおよそ8.1～8.2で弱いアルカリ性になっています。しかし人為起源の二酸化炭素放出による大気中の二酸化炭素濃度の増加に伴って、日本近海でもpHが少しずつ低下していることが明らかになってきました(x)。海洋酸性化が進むと、これに合わせて海水中の炭酸カルシウムの飽和度が低下し、炭酸カルシウムの殻を持つサンゴや貝類などの海洋生物が殻を作りにくくなったり、殻がもろくなったりします。海洋生態系に大きな影響が及ぶことが懸念されています。
　そんな中で、北極海カナダ海盆の観測から、その海域の表層の炭酸カルシウム飽和度の低下が進み、なんと炭酸カルシウム未飽和の状態になっている海域であることを2009年に発表しました(xi, xii, xiii)。炭酸カルシウムの殻が作りにくくなる、もしくはもろくなる状況が現実に起きていることが分かったのです。外洋の表層で未飽和に達した海域は初めてであり、この成果は北極海が海洋酸性化と海氷減少の影響で世界で最も早く生物が住みにくい海になりつつあることを示した点で、大きな衝撃を与えました。その要因を調べたところ、通常の海洋酸性化のように大気中の二酸化炭素濃度の増加による海水中のpHの減少と炭酸カルシウム飽和度の低下が起こること以外に海氷減少の影響がありました。本稿の栄養塩の分布と基礎生産の話のところで触れたように、カナダ海盆域では海氷減少に伴って溶け水が溜まってきました。これは炭酸カルシウムに対して濃度・飽和度を下げるといった希釈の効果を起こしたのです。二酸化炭素濃度の増加と海氷減少のダブルパンチで、世界中のどの海域よりも炭酸カルシウム飽和度が低下し、未飽和に達したのでした。

　本件もプレス発表しました。メディアにも取り上げてもらいました。北極海で海氷が急速に減り、さまざまな環境変化が起こっていることを知ってもらうことができました。またこちらもジュニア向けの解説ページをJAMSTECのホームページに作っています(xiii)。あれから14年経ちますが、今でも役に立つ海洋酸性化の良い解説ページだと思います。よろしければご覧いただければ幸いです。
　流氷の天使として日本でもよく知られるクリオネは世界中の海氷域に多く存在する動物プランクトンです。このクリオネが生きていくために自然界で捕食しているのが、ミジンウキマイマイ(Limacina helicina)というプランクトンです。遊泳浮遊性でとてもかわいい姿をしているのですが、炭酸カルシウムの殻を持っています。北極海カナダ海盆にも多く存在するこのミジンウキマイマイですが、炭酸カルシウム飽和度が未飽和になったことで個体数や分布、殻の状態などに悪い影響が及ぶことが示唆されています。このあたりの生物への影響については、このあとさらなる研究が進められていきました。そしてメディアにも大きく取り上げられます(例えば、xiv)。そのあたりの研究がこのあと進められていくのですが、詳しくは今後の話の中でまた触れていきたいと思います。

　Ⅲ：自立期は、本稿で終わりになります（番外編が少し残っていますが、まぁ番外編なので別腹ということで…笑）。思いのほか、長くなってしまいました(笑)。続いて『Ⅳ：発展期』の話になります。海氷減少が進んだため北極海/北極域の自然環境は以前とは異なる新たな状態(New State)に移り、そして北極を取り巻く社会情勢が変わり、日本の北極研究がまた大きく進展していく時期になります。そのあたりの話をこのあとまとめていこうと思います。では、また。

謝辞： 本稿をまとめるにあたって、西野茂人さんにご協力いただきました。感謝申し上げます。

参考文献/References

 i.     Inoue, J., M. Hori, Y. Tachibana, and T. Kikuchi (2010).  A polar low embedded in a blocking high over the Pacific Arctic.  Geophys. Res. Lett., 37, L14808, doi:10.1029/2010GL043946.

ii.     Inoue, J. and M. Hori (2011).  Arctic cyclogenesis at the marginal ice zone: A contributor mechanism for the temperature amplification?  A polar low embedded in a blocking high over the Pacific Arctic.  Geophys. Res. Lett., 38, L12502, doi:10.1029/2011GL047696. 

iii.     JAMSTECプレスリリース「北極海で発生・発達する低気圧の観測に成功」（2011年6月28日）https://www.jamstec.go.jp/j/about/press_release/20110628/ （参照：2023-2-20）

iv.     JAMSTECホームページ「知ろう！記者に発表した最新研究：世界初！北極海で発生・発達する低気圧の観測成功！」 https://www.jamstec.go.jp/j/kids/press_release/20110628/ （参照：2023-2-20）

v.     Arctic Sea Ice News and Analysis on NSIDC(National Snow and Ice Data Center) website, “A storm in the Arctic” on August 14, 2012.  http://nsidc.org/arcticseaicenews/2012/08/a-summer-storm-in-the-arctic/ (参照：2023-2-20)

vi.     Nishino, S., M. Itoh, Y. Kawaguchi, T. Kikuchi, and M. Aoyama (2011a).  Impact of an unusually large warm‐core eddy on distributions of nutrients and phytoplankton in the southwestern Canada Basin during late summer/early fall 2010.  Geophys. Res. Lett., 38, L16602, doi:10.1029/2011GL047885. 

vii.     JAMSTECプレスリリース「2010年「みらい」北極航海で観測された巨大暖水渦と生態系へのインパクト」(2011年8月26日) https://www.jamstec.go.jp/j/about/press_release/20110826/ (参照：2023-2-20)

viii.     Nishino, S., T. Kikuchi, M. Yamamoto-Kawai, Y. Kawaguchi, T. Hirawake and M. Itoh (2011b). Enhancement/reduction of biological pump depends on ocean circulation in the sea-ice reduction regions of the Arctic Ocean.  J. Oceanogr., 67, 305–314, doi:10.1007/s10872-011-0030-7

ix.     Watanabe, E. (2011).  Beaufort shelf break eddies and shelf-basin exchange of Pacific summer water in the western Arctic Ocean detected by satellite and modeling analyses.  J. Geophys. Res., 116, C08034, https://doi.org/10.1029/2010JC006259. 

x.     気象庁プレス発表「日本近海でも海洋酸性化が進行」(2021年3月19日) https://www.jma.go.jp/jma/press/2103/19a/20210319_OA_jpn.html (参照：2023-4-2)

xi.     Yamamoto-Kawai, M., F. A. McLaughlin, E. C. Carmack, S. Nishino, and K. Shimada (2009).  Aragonite undersaturation in the Arctic Ocean: effects of ocean acidification and sea ice melt.  Science, 326, 5956, pp. 1098-1100, doi:10.1126/science.1174190. 

xii.     JAMSTECプレス発表「北極海が炭酸カルシウムの殻を持つ海洋生物にとって住みにくい海になっていることを初めて発見～海洋酸性化と海氷融解の二重の影響～」(2009年11月20日) https://www.jamstec.go.jp/j/about/press_release/20091120/ (参照：2023-04-02)

xiii.     JAMSTECホームページ「知ろう！記者に発表した最新研究：北極海に異変！貝ガラをもつ生き物にとって、くらしにくい海になっちゃった！」 (2009年11月20日) https://www.jamstec.go.jp/j/kids/press_release/20091120/ (参照：2023-04-02)

xiv.     NHKスペシャル「海の異変 しのびよる酸性化の脅威」 (2022年7月17日放送) https://www.nhk.jp/p/special/ts/2NY2QQLPM3/blog/bl/pneAjJR3gn/bp/p3KAyJQ0J4/ (参照：2023-04-02)