四半世紀の観測でわかった冷たい北の海の変化 ―カムチャツカ半島沖の海の酸性化や生物生産の推移―

1. 発表のポイント

• 人間活動によって排出された二酸化炭素（CO₂）は、陸上の温暖化だけでなく、海の温暖化・酸性化など、海洋環境に対しても様々な変化を引き起こしている。本研究では、水産資源が豊富なカムチャツカ半島沖の定点K2（北緯47度、東経160度）（図1）に焦点をあて、25年（1999〜2023年）に及ぶ海洋観測データから、北太平洋西部亜寒帯域の実態を明らかにした。
• 北太平洋西部亜寒帯域の定点K2において、海洋地球研究船「みらい」（図1）などを用いて取得したデータの解析から、海洋表層で地球温暖化にともなう「温暖化」「低塩化」が確認され、そのうち温暖化は日本近海よりも1.87倍も速く進行していたことがわかった。また、海洋へのCO₂の取り込み増加に伴い「海洋酸性化」が進行していること、その割合（pH:年0.0014）は全季節で世界平均とほぼ同程度であることを本観測結果の解析が初めて明らかにした。
• 生物生産とは、一般に、海洋表面に生息する植物プランクトンが、栄養塩とCO₂を餌として、太陽光による光合成を介して有機物を生産する過程である。今回、栄養塩の変化を10年規模の長期に渡り観測した結果、「春（5月）に増加、夏（7月）に減少」という季節の依存性を新たに見いだした。この現象は、植物プランクトンの一種であるケイ藻類が大規模に増殖して発生（ブルーム）する時期が太陽光の低下の影響で遅延していることが原因と示唆された。

図1．北太平洋西部亜寒帯における定点K2および海洋地球研究船「みらい」

2. 概要

国立研究開発法人海洋研究開発機構（理事長　大和 裕幸、以下「JAMSTEC」という。）地球環境部門むつ研究所 海峡・沿岸環境変動研究グループの脇田 昌英 副主任研究員らの研究グループは、北太平洋西部亜寒帯域のカムチャツカ半島沖に位置する定点K2（北緯47度、東経160度）において、1999～2023年の25年間にわたって、海洋地球研究船「みらい」などで得られた生物地球化学観測データを解析しました。その結果、本海域では海洋酸性化が着実に進行していることに加え、生物生産の長期的な変化が明らかにされました。

衛星および船舶観測データから、定点K2での海面水温は、年0.056℃の割合で上昇し、日本近海（年0.030℃）よりも速く進行（1.87倍）していました。海洋の表層混合層^※1（0～150 m未満）の塩分は年0.004の割合で低下していました。また、人間活動によって排出されたCO₂の吸収により、pHおよび炭酸カルシウム飽和度^※2（カルサイト・アラゴナイト）は統計的に有意に低下しており（pH:年0.0014,カルサイト：年0.007、アラゴナイト：年0.004 ）、本海域で海洋酸性化が進行していることが確認されました。本海域の亜寒帯・極域は物理過程と生物過程が複雑に絡み合うことが知られており、ハワイなどの亜熱帯域に比べて変動幅が大きく、酸性化の進行も速いと予想されていました。しかしながら、本海域の海洋酸性化は、意外にも世界平均とほぼ同程度であることが分かりました。

一方、生物生産で消費される栄養塩（ケイ酸塩、リン酸塩、硝酸塩）の年平均濃度には明確な長期変化はみられませんでした。しかし、季節別に解析すると、5月に増加、7月に減少するという10年規模の変化が確認されました。冬季から夏季にかけての栄養塩の季節変動から推定した純群集生産量（NCP）^※3 も、冬季から5月にかけては減少し、冬季から7月にかけては増加するという対照的な傾向を示しました。その結果、本海域では、生物生産が「春（5月）に増加、夏（7月）に減少」するという季節依存性を示すことを、新たに見いだした。

さらに本研究では、5月の光合成有効放射（PAR）^※4 のみが25年間で年0.20の割合で低下していることを明らかにしました。この現象は、光環境の低下が春季の生物生産減少に影響していることを示唆しています。一方、7月のNCP増加による各栄養塩の元素の化学量論比（P:N:Si＝1:15:55）は過去の報告（1:16:40）に比べて、Si（ケイ素）だけが高く、ケイ藻によるケイ酸塩消費の強化が示されました。8月の黄砂飛来量が年々増加していることが数値モデルからも示されたことから、黄砂から供給される鉄利用能が、夏季のケイ藻生産増加の現象に関与している可能性が考えられました。

本海域の生物生産は、黄砂や海洋深層から供給される鉄の利用能に加え、海霧の発生に伴う光環境の変化にも影響されると報告されていることから、光環境、大気起源物質、ならびに中・深層からの物質供給の変化が、長期的に北太平洋亜寒帯域の生物生産の季節的なパターンに直接影響を及ぼしている可能性が明らかになりました。今後も、「みらい」の調査・観測活動を引き継ぐ北極域研究船「みらいⅡ」などによる定点K2での継続観測を通じて、海洋酸性化を含む環境変化の影響解明を進めていきます。

本成果は、「Progress in Earth and Planetary Science誌」に2026年2月14日付けで掲載されました。なお本研究は科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 CREST「海洋とCO₂の関係性解明から拓く海のポテンシャル」領域（JPMJCR24J1、課題名：気候変動に伴う低次栄養段階生物の応答と炭素吸収能の評価）と科学研究費補助金（科研費）（JP25106709、JP15H02835、JP23K20393）の助成のもと実施されました。

3. 背景

産業革命以降の人間活動によって大気中のCO₂が増加し、陸上の温暖化とともに海洋環境にも深刻な影響が広がっています。海洋は人間活動によって排出されたCO₂の約4分の1を吸収しており、その結果として海洋酸性化が進行しています。これにより、海水中のpHが低下し、炭酸イオン濃度が減少するとともに（図2）、炭酸カルシウムの溶けやすさの指標である炭酸カルシウムの化学的飽和度の低下を引き起こしています。これらの変化は、炭酸カルシウムを骨格や殻に利用しているサンゴや貝類、プランクトンなどの海洋生態系にとって重要な生物に影響を及ぼす可能性があります。

北大西洋および北太平洋を中心とした長期観測から、表層海水のpHは毎年0.0017～0.0027の速度で低下していることが明らかになっています（IPCC第6次評価報告書）。特に亜寒帯・極域では、物理過程と生物過程が複雑に絡み合うため、亜熱帯域に比べて変動幅が大きく、酸性化の進行も速いことが知られています。また、将来的には冬季に炭酸カルシウムが溶解してしまう「未飽和状態」へ、亜熱帯域よりも早く達する可能性も指摘されています（Orr et al., 2005）。

このような中、北太平洋西部亜寒帯の時系列観測点K2は、我々にとって海洋酸性化と生物生産の変化を理解する上で重要な拠点です。定点K2は水産資源が豊富で、高栄養塩・低クロロフィル（HNLC）海域に位置しており、冬季には深層水の混合によってCO₂の放出源となる一方、春から秋にかけては植物プランクトンの光合成による高い生物生産によってCO₂の吸収源となるという特徴的な環境を有しています。その生物生産は、黄砂や深層から供給される鉄の利用能や、海霧による低層雲形成に伴う光条件にも影響を受けると報告されています。定点K2では、主にケイ藻類による高い生産性が確認されており、これまでの研究から、植物プランクトン群集構造や沈降粒子フラックス、NCPなどの長期変動が報告されています。

こうした背景のもと、本研究では定点K2における海洋酸性化の進行と生物生産の変化を長期観測データに基づいて明らかにすることを目的として、海洋地球研究船「みらい」などを用いた海洋観測に加え、衛星解析を併用した長期変化解析を行いました。

図2．海洋酸性化のしくみ
大気中のCO₂が海水に溶け込むと、水と反応し水素イオンが発生します。この水素イオンが海水のpHを低下させます。さらに、増えた水素イオンと炭酸イオンが反応して炭酸水素イオンを作り、炭酸イオンが減少します。

4. 成果

本研究では、北太平洋西部亜寒帯の定点K2において、1999～2023年の四半世紀にわたる長期データの解析により、海洋酸性化の進行速度と生物生産の季節的変化を定量的に明らかにしました。主な成果は以下の通りです。

1. 表層混合層における海洋酸性化の定量的評価

衛星データ解析の結果、本海域の海面水温は年率0.056℃で上昇し（図3-a）、表層混合層（水深0～最大150m未満）の塩分は年率0.004低下していました（図4-a）。さらに、表層混合層における海洋酸性化の割合も全季節で、他の海域と同様に進行しており（図4-b, 4-c, 4-d）、その主因は人間活動により放出されたCO₂の海洋への吸収であることが示されました。

2. 生物生産の季節構造の変化を発見

表層混合層において、生物生産により消費される栄養塩の年平均濃度には明確な長期的増減は認められませんでした（図4-f, 4-g, 4-h）。しかし、季節別に解析した結果、季節によって異なる変化が確認されました（図5）。具体的には、5月にはNCPの減少に伴い栄養塩濃度が増加する一方、7月にはNCPの増加に伴って、栄養塩濃度が減少していました。

本海域の生物生産は、黄砂や深層から供給される鉄の利用能に加え、海霧の発生に伴う光環境の変化にも影響を受けます。5月の定点K2付近では、表層混合層で鉄が枯渇しないことが報告されている一方、PARが年率0.20の割合で低下しており（図3-b）、この光量低下が春季の生物生産減少に影響した可能性が示唆されました。

一方、7月の定点K2付近では、PARに経年変化は見られず（図3-b）、表層混合層の鉄はほぼ枯渇していると報告されています。この時期のNCP増加に関連して、各栄養塩のNCP増加速度（図5-d,5-e,5-f）から求めた化学量論比 P:N:Si = 1:15:55は、過去の報告値（P:N:Si = 1:16:40；Wakita et al., 2016）に比べてSi（ケイ素）のみが高く、ケイ藻によるケイ酸塩消費の強化が確認されました。さらに、数値モデルの結果から、8月の黄砂飛来量が年々増加していることが示されており、これがケイ酸塩を利用するケイ藻の夏季生産が増加する一因となっている可能性が示唆されます。

これらの結果から、春季に減少した生物生産は、夏季の生産増加によって補われており、ケイ藻ブルームの発生時期が変化している可能性が示されました。総合的に、光環境と大気および海洋環境の長期的な変化が、生物生産の季節的なパターンに直接影響を与えている可能性が明らかになりました。

図3．定点K2における(a)衛星観測による海面水温と船舶観測による表層混合層水温、 (b)衛星観測による光合成有効放射（PAR）の経年変化
水色の線は、(a)衛星観測による海面水温、(b)PARを表す。丸は、(a)表層混合層水温（青）、(b)5月のPAR（緑）の平均値（緑）を示す。太い実線は、(a) 衛星から得られた海面水温(オレンジ)で年率0.056℃で上昇、(b) 5 月の PAR (緑) は統計的に有意な線形回帰直線を示し、年率0.20の割合で低下していることがわかった。

図4．定点K2における表層混合層の(a) 塩分(Sal)、(b) 現場水温pH(pH_T^insitu)、(c–d) カルサイト（Ω_calcite）およびアラゴナイト（Ω_aragonite）のCaCO₃飽和度、(e)塩分35に規格化した全アルカリ度(nTA)、(f)同ケイ酸塩（SiO₂）、(g) 同リン酸塩（nPO₄）、(h)同硝酸塩（nNO₃）の経年変化
赤丸と青丸は、それぞれ年平均値および推定した冬季混合層の値で、縦線は標準偏差を示す。実線は統計的に有意な傾向（p<0.05）の線形回帰を示し、点線は有意でない場合の期間内の平均を示す。傾きの誤差は、線形回帰における標準誤差。
塩分は年率0.004で低下し（a）、海洋酸性化を示す指標（b-d）はいずれも酸性化の進行を示している。一方で、表層混合層における栄養塩に有意な変化は見られなかった。（f-h）また、全アルカリ度にも変化は認められず(e)、海洋酸性化に伴う石灰化低下の可能性は確認できなかった。

図5．定点K2における5月（緑丸）と7月（橙丸）の栄養塩と生物生産の指標である純群集生産NCPの経年変化
(a)塩分35で規格化したケイ酸塩（nSiO₂）、(b)同リン酸塩（nPO₄）、(c)同硝酸塩（nNO₃）の経年変化。また、冬から5月（緑丸）および7月（橙丸）までの表層混合層MLDにおける純群集生産NCP（橙丸）［(d)NCP_SiO2^MLD、(e)NCP_PO4^MLD、(f)NCP_NO3^MLD］、さらに海面から水深約80m(D_w=j) までの純群集生産NCP（ピンクの×）［(d)NCP_SiO2^Dw=j、(e) NCP_NO3^Dw=j、(f) NCP_NO3^Dw=j］の経年変化も併せて示しています。実線は統計的に有意な傾向（p<0.05）を示し、点線はp<0.10 の有意傾向を示す。傾きに付した誤差は、線形回帰における標準誤差。
5月は、NCPの減少（d-f緑丸）に伴い栄養塩が増加している（a-c緑丸）が、7月はNCPの増加（d-f橙丸、ピンクの×）に伴い栄養塩が減少している（a-c橙丸）。

5. 今後の展望

本研究により、北太平洋亜寒帯域の海洋酸性化と生物生産の長期変動に関する理解は大きく前進した一方で、今後の研究で解明すべき重要な課題も明らかになりました。

まず、表層混合層の全アルカリ度^※5 に有意な長期変化が認められなかったことから（図4-e）、海洋酸性化に伴う石灰化低下（例：石灰質プランクトンの殻の薄化）の可能性は今回の解析では確認されませんでした。今後は、この海域で採取された石灰質プランクトンを対象に、マイクロフォーカスX線CT^※6（Kimoto et al., 2023）などの先端的分析技術を用いた殻密度の高精度測定を行い、その実態の理解を進めていきたいと思います。

さらに、北極域研究船「みらいⅡ」などによる定点K2での継続観測を通じて、今後は、光環境や大気・海洋からの物質供給が生物生産に与える影響を総合的に評価するとともに、エルニーニョなどの気候変動イベントとの関係を加えて解析し、本海域の将来の海洋環境変化の予測精度向上を目指します。