「成層期間」とは、水が層に分かれる季節的な分離のことです。
科学者らは、気候変動により、湖の平均的な季節的成層期間は今世紀末までにほぼ2週間延びると予想しており、排出量が極めて多い場合は1か月延びると予想しています。
これは湖の生態系に壊滅的な影響を与える可能性があり、例えば有害な藻類ブルームを引き起こしたり、魚を死滅させたりします。
湖の成層化がどのように起こるのか、そして将来の影響の詳細について、さらに理解を深めるための研究が行われてきました。
新たな研究によると、湖の「成層期間」（水が層に分かれる季節的な分離）は、温暖化した気候の下でより長く続くことが示されています。
論文によると、成層期間が長くなることは湖の生態系に「広範囲に及ぶ影響」をもたらす可能性があり、有害な藻類ブルーム、魚の大量死やメタン排出量の増加も引き起こす可能性があります。
気候変動が湖の成層化に与える影響
本研究は『Nature Communications』に掲載されたもので、北半球における湖の平均的な季節成層期間は、低排出シナリオの下でも今世紀末までに約2週間延びる可能性があるとわかりました。排出量が極端に多い場合は、成層期間が1か月以上延びる可能性があるとしています。
成層期間が延び続ければ、「一部の湖の生態系に壊滅的な変化が起こることが予想され、それは生態学的な群集に不可逆的な影響を及ぼす可能性があります」と、研究の筆頭著者はCarbon Briefに語っています。
本研究ではまた、より大きな湖ほど顕著な変化が見られることもわかりました。例えば、「代替不可能な生物多様性」を擁し、世界最大級の淡水生態系の一部である北米の五大湖は、本研究によると、すでに成層期間に「急速な変化」が生じています。
「致命的な結果」：湖の成層化
春に気温が上がると、多くの湖では「成層化」が始まります。温かい空気が湖の表面を温め、表層の水を暖めることで、その下の冷たい水の層と分かれます。
成層化した層は混ざりにくく、層間の温度差が大きいほど混合は少なくなります。湖は一般に春から秋にかけて成層化し、暑い気候によって、温かい表層水と深部のより冷たい水との温度勾配が維持されます。
リチャード・ウールウェイ博士（欧州宇宙機関所属）は論文の筆頭著者で、この論文は気候変動により成層化の開始が早まり、終了が遅くなっていることを明らかにしています。ウールウェイ博士はCarbon Briefに対し、成層化の影響は「広範囲かつ大規模」であり、成層期間が長くなることは生態系に「不可逆的な影響」をもたらしうると述べています。
例えば、ドミニク・ヴァション博士、ポスドク研究員。所属：気候影響研究センター（ウメオ大学、本研究には関与していない）は、湖の成層化が「物理的な障壁」を生み出し、溶存ガスや粒子が水の層の間を移動しにくくさせると説明しています。
これにより、水面の酸素が湖の深部へ沈みにくくなり、酸素濃度が低く呼吸が困難になる水深部で「脱酸素化」を引き起こす可能性があります。
酸素の枯渇は「生物にとって致命的な結果」をもたらしうると、ベルトラム・ベーラー博士（ヘルムホルツ環境研究センターの研究者で、本研究には関与していない）は述べています。
筆頭著者のウールウェイ博士は、Carbon Briefに対し、深部の酸素濃度の低下により、魚がより温かい表層水に閉じ込められると述べています：
「魚は夏季に、表層のより温かい環境を避けるため、より深い水域へ移動することがよくあります。例えば、湖の熱波の時などです。深部で酸素が減少すると、魚には温度的な避難場所がなくなります。酸素濃度が低すぎると生き延びられないことが多いからです。」
これは湖の生物にとって非常に有害であり、本研究では「魚の大量死」の発生を増加させる可能性もあると指摘しています。
しかし、湖の成層化の影響は魚に限られません。本研究では、春の成層化が早まると、植物プランクトン（藻類の一種）の群集が早く増殖し、それを食料とする生物種と時期がずれてしまう可能性も指摘されています。これは「栄養段階の不一致」と呼ばれています。
キャサリン・オライリー教授（地理学・地質学・環境学の教授、イリノイ州立大学所属、本研究には関与していない）は、成層期間が長くなると「有害藻類ブルームの発生可能性が高まる」可能性もあると付け加えています。
気候変動が湖に与える影響は生態系にとどまりません。湖の低酸素状態は、メタンの生成を促進する可能性があり、本研究によると、メタンは「世界的に重要な速度で湖において生成・排出されている」とのことです。
ウールウェイ博士は、温暖化が進むほど湖では正の気候フィードバックが生じる可能性があると説明しています。つまり、気温の上昇はより大きな温暖化を招く排出量の増加を意味するということです：
「深部の低酸素状態は湖底堆積物中のメタン生成も促進し、そのメタンは気泡や拡散によって水面へ放出される可能性があり、気候変動に対する正のフィードバックとなります。」
湖の成層化：開始と終了
本研究では、著者らは「世界で最もよく監視されている湖」のいくつかから得られた長期観測データと、複数の湖沼モデルによる日次シミュレーションを用いて、湖の成層期間の過去の変化を明らかにしています。
また、著者らは3つの異なる排出シナリオの下で成層期間の将来の変化をシミュレーションし、このプロセスが将来どのように変化しうるかを明らかにしています。本研究は北半球の湖に焦点を当てています。
以下の図は、1970～1999年の平均と比較した、1900年から2099年までの成層日数の平均変化を示しています。このグラフは過去の測定値（黒）と、低排出シナリオRCP2.6（青）、中程度の排出シナリオRCP6.0（黄）、および極めて高い排出シナリオRCP8.5（赤）のシナリオを示しています。
過去の測定値（黒）、低排出のRCP2.6（青）、中程度の排出のRCP6.0（黄）、極めて高い排出のRCP8.5（赤）について、1970～1999年の平均と比較した湖の成層期間の変化。
このグラフは、湖の平均的な成層期間がすでに長くなっていることを示しています。ただし、本研究では、湖によっては他より顕著な影響が見られることも付け加えています。
例えば、イングランド湖水地方で最もよく観測されている湖であるBlelham Tarnでは、1963～1972年の平均と比べ、現在は成層化が24日早く始まり、成層期間が18日延びていることが本研究で分かりました。ウールウェイ博士はCarbon Briefに対し、その結果、この湖にはすでに酸素枯渇の兆候を示し始めていると述べています。
研究結果によると、気候変動は成層化の開始を早め、「終了」を遅らせることで、湖の平均的な成層期間を延ばしています。以下の表は、1970～1999年の基準値と比較した、異なる排出シナリオ下での湖の成層化の開始、終了、および全体の期間の予測変化を示しています。
表によると、低排出シナリオの下でも、今世紀末までに湖の成層期間は13日延びると予想されています。一方、排出量が極めて多いシナリオでは、33日延びる可能性があります。
表はまた、成層化の開始が終了よりも大きく変化していることも示しています。その理由は、成層化の要因をより詳しく見ることで明らかになります。
気温の上昇と風の弱まり
湖における成層化の開始と終了の時期は、主に2つの要因、すなわち気温と風速によって左右されます。
気温が湖の成層化に与える影響は、温かい水は冷たい水より密度が低いという事実に基づいています。ウールウェイ博士はCarbon Briefに対し、次のように述べています：
「気温の上昇により水面が温められると、水の密度が低下し、湖の中に明確な温度の層が形成されます。冷たく密度の高い水は湖底に沈み、温かく軽い水は上層に層を形成します。」
これは、気候変動によって気温が上昇すると、湖はより早く成層化し始め、より長く成層状態を保つことを意味します。また、ウールウェイ博士はCarbon Briefに対し、高地の湖では成層化の変化がより大きくなる可能性が高いと述べています。理由として、「夏の長期化は高緯度地域で非常に顕著である」ためとしています。
以下の図は、低排出（左）、中排出（中央）、高排出（右）のシナリオにおける、北半球の湖の成層期間の予想増加を示しています。色が濃いほど、成層期間の増加が大きいことを示しています。
図は、気候変動が成層期間に与える予想される影響が、より北の高緯度地域ほど顕著になることを示しています。
2つ目の要因は風速であり、ウールウェイ博士は次のように説明しています：
「風速も湖の成層化の開始と終了の時期に影響し、強い風は水柱を混合させ、気温上昇による成層化の効果に対抗します。」
本研究によると、地球温暖化に伴い風速はわずかに低下すると予想されています。著者らは、表層付近の風速の予想変化は、想定される気温上昇と比べて「比較的小さい」と指摘していますが、それでも成層化に「大きな」変化をもたらす可能性があると付け加えています。
本研究では、湖がいつ成層化を始めるかを決める最も重要な要因は気温であることがわかりました。一方、成層化の終了に注目すると、風速の方がより重要な要因であることがわかりました。
一方、ヴァション博士は、風速が湖からのメタン排出にも影響を及ぼすと述べています。同博士は、成層化によって湖底で生成されたメタンが上昇できなくなり、成層期間が終わるとメタンが水面へ上昇できるようになると指摘しています。しかし、ヴァション博士によれば、成層化の終了の速さが、大気中へ放出されるメタンの量に影響するとのことです：
「私の研究によると、最終的に放出される底層水中の蓄積メタンの量は、成層化の解消がどれだけ速く起こるかと関係しています。例えば、ゆっくりと段階的に成層化が解消する場合、水の酸素化が進み、細菌がメタンを二酸化炭素へ酸化させやすくなる可能性が高いです。一方、強風を伴う嵐の後などに急速に湖の成層化が解消すると、蓄積されたメタンは大気中へより効率的に放出されてしまいます。」
最後に、本研究では、大きな湖は水量が多いため、春に成層化するまでに時間がかかり、秋にも通常より長く成層状態が続くことがわかりました。例えば、著者らは北米の五大湖を挙げています。五大湖には「代替不可能な生物多様性」があり、世界最大級の淡水生態系の一部です。
著者らによると、これらの湖は1980年以降、10年ごとに成層化が3.5日早まっており、一部の極端な年の間では、湖の成層化の開始時期が最大48日変動することがあります。
オライリー博士はCarbon Briefに対し、「これらの変化によって湖が未知の領域へと向かうことは明らかです」と述べ、さらに本論文は「将来の気候シナリオの下で湖がどれほど変化するかを考えるための枠組みを提供している」と付け加えています。
