気候変動によって地球は急速に温暖化し、食料を生産する陸上や海洋の生態系が変化しています。海洋では、温暖化によって増えた熱の大半は依然として表層付近にとどまり、より深い海へ届くまでには何世紀もかかります。しかし、熱が深部へ伝わるにつれて海洋循環のパターンが変わり、海洋の食物連鎖の生産性が低下します。
最近の研究で、私は5つの大学や研究所の同僚とともに、2300年まで続く気候温暖化が海洋生態系と世界の漁業に及ぼす影響を調べました。温暖化が長期にわたって続くと、小さなプランクトンを支える重要な栄養塩の供給がどう変化するのか、そしてそのプランクトンを餌とする魚にどう影響するのかを知ることが目的でした。
この規模の温暖化によって、風、水温、海氷の範囲、海洋循環など、海洋生態系を左右する重要な要因が変化することが分かりました。その結果生じる変化によって栄養塩が表層水から深海へ運ばれ、プランクトンの成長を支える表層の栄養塩が減少します。
海洋生態系で栄養塩の不足が時間とともに深刻化するにつれ、世界の漁獲量は2300年までに20％、北大西洋全域では約60％減少すると推定されます。これは、何百万人もの人々にとって重要な食料源が大幅に減ることを意味します。
海洋の食料生産と生物ポンプ
海洋の食料生産は、太陽光が海面に降り注ぐところから始まります。植物プランクトンと呼ばれる単細胞の、ほとんどが顕微鏡サイズの生物は、海の植物ともいえる存在で、太陽光を使って光合成し、純一次生産と呼ばれる過程で成長します。これができるのは、海洋の太陽光が届く表層、深さ約100メートル（330フィート）までです。また、成長には栄養塩も必要で、特に窒素とリンが重要ですが、表層水では不足することがあります。
植物プランクトンは動物プランクトン（小さな動物）に食べられ、動物プランクトンは小魚の餌となり、こうして食物連鎖を上って、イルカやサメのような上位捕食者へとつながります。食べられずに残った植物プランクトンや、死んだ動物プランクトンや魚などの有機物は表層水で分解され、新たな植物プランクトンの成長を支える栄養塩を放出します。
こうした物質の一部は深海へ沈み、深海の生態系に餌を供給します。沈降する有機物に含まれる炭素、窒素、リンなどの栄養塩は、最終的に深層で分解され、放出されます。
この過程は生物ポンプと呼ばれ、表層水から栄養塩を絶えず取り除いて深海へ運びます。通常の条件では、風や海流による混合で、栄養塩はいずれ太陽光の届く表層水へ戻ります。これが起きなければ、植物プランクトンは最終的に栄養塩を完全に使い果たし、海洋の食物連鎖全体に影響が及びます。
海氷、風、栄養塩の湧昇
深海に沈んだ栄養塩は、最終的に主に南極周辺の南大洋で表層へ戻ります。南極の北側では、強い偏西風が表層水を南極から遠ざけます。それに伴い、栄養塩に富む深層水が南極周辺で表層へ湧き上がり、押し流された水を置き換えます。この湧昇が起こる海域は南極発散域と呼ばれます。
現在、南大洋では植物プランクトンの成長はあまり活発ではありません。厚い海氷に覆われているため、海に届く太陽光が限られています。水中の鉄（もう一つの重要な栄養塩）の濃度は低く、水温が低いためプランクトンの成長速度も抑えられます。その結果、この海域で湧昇する窒素とリンの大半は、表層水とともに北へ流れます。やがてこれらの栄養塩が低緯度のより温暖な海域に届くと、太平洋、インド洋、大西洋の大部分でプランクトンの成長を支えます。
深海に栄養塩を閉じ込める
私たちの研究では、何世紀にもわたる持続的な地球温暖化によってこの過程が中断され、南極周辺の海域より北にあるすべての海域で窒素とリンがますます不足する可能性が示されました。
各国が世界の埋蔵量を使い果たすまで化石燃料を使い続けると仮定した気候モデルのシミュレーションを行いました。この気候シナリオでは、2300年までに平均地表気温が9.6℃（17.2°F）上昇します。これは、現在までに記録された産業革命前からの温暖化の約10倍に当たります。科学者たちはすでに、極域の温暖化が地球の他の地域より速く進んでいることを把握しており、このシナリオでもその傾向は続きます。やがて、冬でさえ極域付近の海洋は凍結しなくなります。
海氷がなくなって温暖化した海水に、強い気候温暖化による風の変化も加わることで、南極周辺では植物プランクトンの成長条件が大幅に改善します。この成長の増加によって、南極付近で湧き上がる栄養塩が取り込まれ、北へ流れて世界の低緯度の生態系を支えることが妨げられます。
シミュレーションでは、こうして取り込まれた栄養塩はやがて深海に戻って混ざり、そこに蓄積します。海洋の上層1,000メートル（3,300フィート）では、窒素とリンの濃度が着実に低下します。深海の水深2,000メートルより下では、濃度が着実に上昇します。
南大西洋の暗い海に広がる、鮮やかな青色の大きな雲のようなものは、植物プランクトンのブルームです。南極から北へ漂う栄養塩がブルームを育み、より大型のプランクトンや魚の餌となります。Jacques Descloitres、MODIS Rapid Response Team、NASA/GSFC魚は大幅に減少
海洋生態系で栄養塩不足が深刻化すると、世界の海洋の大部分で植物プランクトンの成長と純一次生産が減少します。こうした影響が食物連鎖を上っていくことで、世界の漁獲量は2300年までに20％減少し、北大西洋全域やその他いくつかの地域では50％を超える減少になると推定されます。さらに、シミュレーションの終了時にも栄養塩の深海への移動は続いていました。このことから、生態系の生産性と漁獲可能量は2300年以降もさらに低下すると考えられます。
やがて1,000年以上が経過すると、人間活動によって大気中に加わった二酸化炭素の大半が海洋に吸収され、地球の気候は再び寒冷化します。極域の海洋には海氷が戻り、南極周辺の植物プランクトンの成長が抑えられ、湧昇した栄養塩が再び北の低緯度へ流れやすくなります。それでも、海洋循環によって上層海洋の栄養塩が十分に補充されるまでには、さらに何世紀もかかります。
植物プランクトンは地球上の生命にとって不可欠です。気候変動は、植物プランクトンの成長を促す海洋の混合過程を妨げています。
海洋資源はすでに今日、圧力にさらされています。世界の海洋漁業の約90％は、漁獲可能量の上限まで利用されているか、乱獲状態にあります。世界人口は、増加すると予測されており、2015年の73億人から2100年には110億人になります。私たちの研究で明らかになった影響は、世界の食料安全保障に深刻な意味を持ちます。養殖の拡大や、さらに踏み込んだ対策として、プランクトンの成長を促すために海洋へ直接肥料を投入することを行っても、持続的な地球温暖化によって深海へ失われる栄養塩を補うには到底及びません。
私たちのシミュレーションは、強い気候温暖化のシナリオに基づいています。さらなる研究を進め、海氷を融かして南大洋での栄養塩の閉じ込めを始めるには、気候がどこまで温暖化する必要があるのかを明らかにする必要があります。しかし、これが越えてはならない転換点であることは明らかです。
