科学者たちは、世界の海洋にある酸素欠乏帯（ODZ）の三次元アトラスを作成した。
酸素欠乏帯は海洋全体の体積の1%未満を占めるにすぎないが、温室効果ガスである亜酸化窒素の重要な発生源となっている。
科学者たちは、この地図を使ってODZの変化を追跡し、気候の変化に伴う変化を予測したいと考えている。
海ではほぼどこでも生命が豊かに息づいている。ただし、酸素濃度が自然に急低下し、水が大半の好気性生物にとって生存できない環境となる場所が一部にある。こうした荒涼とした水域は「酸素欠乏帯」、略してODZと呼ばれる。海洋全体の体積の1%未満を占めるにすぎないものの、強力な温室効果ガスである亜酸化窒素の重要な発生源となっている。また、その境界によって漁場や海洋生態系の広がりが制限されることもある。
今回、MITの科学者たちは、世界最大級のODZについて、これまでで最も詳細な三次元「アトラス」を作成した。この新たなアトラスは、熱帯太平洋にある主要な酸素欠乏水域2つを高解像度で地図化したものだ。各ODZの体積、広がり、深さの変化に加え、本来は酸素が枯渇している水域に入り込む、酸素を含む水の筋のような微細な特徴も明らかにしている。
三次元アトラスの作成方法
研究チームは新たな手法を使い、40年以上にわたる海洋データを処理した。データは、熱帯太平洋各地で実施された多数の調査航海や投入された自律型ロボットによる、約1,500万件の測定値から成る。研究者たちはこの膨大で詳細なデータを集約・分析し、三次元スキャンの断面図を重ねるように、さまざまな深度における酸素欠乏帯の地図を作成した。
研究者たちはこれらの地図から、熱帯太平洋にある主要なODZ2つの総体積を、従来より正確に推定した。南米沿岸から広がる第1の水域の体積は約60万立方キロメートルで、オリンピックサイズのプール2,400億杯を満たす水量にほぼ相当する。中米沿岸沖にある第2の水域は、その約3倍の大きさだ。
このアトラスは、現在ODZがどこにあるかを示す基準となる。研究チームは、科学者たちが継続的な測定結果を加え、このアトラスを拡充することで、これらの水域の変化をより適切に追跡し、気候の温暖化に伴ってどう移動するかを予測できるようになることを期待している。
「気候が温暖化するにつれて、海洋の酸素が失われていくことは広く予想されています。しかし、大規模な酸素欠乏帯がある熱帯では、状況はもっと複雑です」と、アトラスを開発したジャレク・クヴィエチンスキ氏は述べる。共同開発者は、MIT地球・大気・惑星科学部門のセシル・アンド・アイダ・グリーン・キャリア開発教授、アンドリュー・バビン氏だ。「将来の変化を比較する基準を得るために、これらの水域の詳細な地図を作ることが重要です。」
研究チームの研究成果は本日、学術誌『Global Biogeochemical Cycles』に掲載された。
酸素欠乏帯の位置を特定する
酸素欠乏帯は、海洋微生物が沈降する植物プランクトンと周囲にある酸素をすべて消費することで自然に生じる、海の広大で長く続く水域だ。こうした水域は、通常なら酸素を含む水を補給する海流が通らない場所にある。そのため、ODZは比較的恒常的に酸素が欠乏した水域となり、海面下およそ35～1,000メートルの中層に存在することがある。参考までに、海洋の平均水深は約4,000メートルだ。
過去40年間、調査航海では、さまざまな深度までボトルを下ろして海水を採取し、持ち帰ったサンプルの酸素濃度を科学者が測定する方法で、こうした水域を調べてきた。
「しかし、酸素が本当にゼロかどうかをボトル採水で測ろうとすると、多くの測定誤差が生じます」とバビン氏は言う。「深海に投入するプラスチックには酸素が含まれていて、サンプルに溶け出すことがあります。結局、その人工的な酸素によって、海洋本来の値が高く見積もられてしまうのです。」
ボトルサンプルの測定値に頼る代わりに、研究チームはボトルの外側に取り付けたセンサーや、浮力を変えてさまざまな深度の水を測定できるロボットプラットフォームに組み込まれたセンサーのデータを調べた。こうしたセンサーは、電流の変化や、光感受性染料が発する光の強度など、さまざまな信号を測定し、水に溶けた酸素量を推定する。単一の特定深度を表す海水サンプルとは異なり、センサーは水柱を下降する間、信号を連続的に記録する。
科学者たちは、こうしたセンサーデータを使ってODZの酸素濃度の真の値を推定しようとしてきたが、とりわけ濃度がゼロに近づく場合、信号を正確に換算するのは非常に難しいことが分かっていた。
「私たちはまったく異なるアプローチを取りました。測定値の真の値を見るのではなく、水柱の中でその値がどう変化するかを調べたのです」とクヴィエチンスキ氏は言う。「そうすれば、個々のセンサーの測定値に左右されずに、無酸素水を特定できます。」
海洋の酸素供給を理解する
研究チームは、センサーが海洋の連続した垂直区間で酸素の値が一定で変化しないことを示した場合、たとえその真の値が分からなくても、酸素が底をつき、その区間が酸素欠乏帯の一部である可能性が高いと考えた。
研究者たちは、さまざまな調査航海やロボット式フロートが40年間にわたって収集した約1,500万件のセンサー測定値を集約し、深度によって酸素量が変化しない領域を地図化した。
「これで、太平洋における無酸素水の分布が三次元的にどう変化するかを確認できます」とバビン氏は言う。
研究チームは、熱帯太平洋にある主要なODZ2つの境界、体積、形状を地図化した。一つは北半球、もう一つは南半球にある。また、それぞれの水域の微細な特徴も確認できた。例えば、酸素が欠乏した水は「厚く」、中央付近により集中し、各水域の縁に向かって薄くなるように見える。
「浅い深度の無酸素水に、大きなかみ跡のような隙間があることも確認できました」とバビン氏は言う。「この領域に酸素を運び込む何らかの仕組みがあり、周囲の水より酸素を多く含む状態にしているのです。」
熱帯太平洋の酸素欠乏帯に関するこうした観測は、これまでの測定より詳細だ。
「ODZの境界がどのような形をしているか、また、どこまで広がっているかは、これまで解明できませんでした」とバビン氏は言う。「今では、この2つの水域を面積と深度の点から比較するための、より明確な見通しが得られました。」
「何が起きている可能性があるかを示す概略図になります」とクヴィエチンスキ氏は言う。「このデータ集約をさらに活用すれば、海洋の酸素供給がどのように制御されているかを理解するために、できることがたくさんあります。」
この研究は、シモンズ財団の一部支援を受けている。
