テーマ 11： 表層環境変動と固体地球の相互作用
要旨
固体地球内部の熱対流活動により、海洋底の拡大やガッケル海嶺熱水系の探査により、その成因、熱水系の沈み込み等の大規模な地球表層活動が生じ、新たな生物相、および海洋循環の影響等を明らかにするもので海洋の形成や大陸の衝突等の現象を引き起こす。このある。

ような固体地球内部の熱対流活動に伴う、地球表層の二つ目の Q2 は、時間スケールで数万年、空間スケ

海洋と大陸の配置変化は、大気・海洋循環の変化をはールで数千 km に及ぶ極域固有の現象で、氷床荷重

じめ、氷床の発達といった地球表層環境変動の転換を変動に伴う現在の地殻変動現象に関する研究観測がもたらす大きな要因となる。一方、気候変動を原因とす対象である。この研究では、グリーランド氷床やカナダ

る地球表層における氷床と海水量の体積や地理的変等の地域、およびその周辺海域での、地形地質および動は、海水準の変動にとどまらず固体地球の変形も引

測地学的調査を軸とし、これにモデル計算を組み合わき起こし、地殻の変動や地球内部のマントル流動を引きせることで、氷床変動メカニズムの解明や地球内部の粘起こす。このように両者は、様々な時間と空間スケール性構造を明らかにすることを目指している。

で相互に影響を与えていると考えられてきたが、そのメ

三つ目の設問 Q3 は、数億年スケールでの北極海形

カニズムはまだ十分に明らかにされておらず、地球シス

成発達史の解明と、これに伴う大気－氷床－海洋の相

テムを総合的に理解する上で必要不可欠な課題となっ互作用の変遷を対象としたものである。大部分が海氷にている。特に、氷床荷重変動に伴う現在の地殻変動現覆われている北極海の海底は、調査が困難な事から、象や、大陸の成長・離合集散といった数十億年スケー

未調査の海域が多く残されている。そのため、固体地球

ルの現象まで様々なスケールの相互作用が現れている

物理・地質学的調査等により北極海の海底拡大史を解

北極域は、この課題を理解する上で鍵となる重要なフィ

明することに主眼を置き、さらに、堆積物採取による古環ールドである。そこで、本テーマでは、様々な時間と空境、古気候の復元、北極海発達過程に伴う氷床拡大時

間スケールでの固体地球と表層環境変動の相互作用期の推定等、北極海の発達史と大気－氷床－海洋の相を理解するため、今後実施すべき、北極域での異なる互作用の関連を明らかにする事を目指すものである。
最後の設問 Q4 は、数十億年スケールでの固体地球

時空間スケールを有する固体地球の変動に関する研究について以下の四つの Questions を設けた。
Q1: 現在活動する北極海海嶺熱水系と海洋環境との相互作用は？
Q2: 氷床変動に伴い固体地球はどのように変形してきたか？
Q3: 北極海が形成されていく過程で、大気－氷床－海洋の相互作用がどのように変化していったか？
Q4: 数千万年～数十億年といった時
間スケールでの地球表層環境変動に北極海と周辺大陸の発達過程はどのように影響を与えたか？
一つ目の設問 Q1 は、海氷下に存在し、現在活動している中央海嶺の一つで、未だ研究が進んでいないガッケル海
嶺の熱水系を対象とする。この研究は、

図 42

表層環境変動と固体地球の相互作用に関する重点研究課題

114

の変動に関するもので、北極域の大陸を中心とした地には、40～38 億年前の地球初期の記録を持つ地層が質学的調査を軸とした地殻研究により、30～40 億年と分布しており、主に地質学的調査により、地球初期からいう時間スケールでの地球表層環境変動の解析を主眼

現在までの長い地質学的時間スケールでの地球環境とするものである。カナダ北極圏やグリーンランド西岸等

変動史の研究推進を提案している。

まえがき
固体地球では、大気、海洋等の流体圏の変動にとも

年スケールの現象まで、様々な時間、空間での固体地

なう固体地球の表面の荷重変化により引き起こされる変球と表層環境変動の相互作用を理解する上で絶好の動や、超大陸の形成や分裂といった変動等、様々な時

フィールドである。本テーマでは、様々な時間と空間ス

間・空間スケール変動が複合体的に生じている。大陸

ケールでの固体地球と表層環境変動の相互作用を理分裂による海洋の形成や超大陸の形成といった、数億解する上で不可欠であり、今後北極域で重点的に展開

年から数十億年スケールの地球表層の大陸と海洋の配していくべき、異なる時空間スケールの固体地球の変動

置の変化は、海洋循環や大気循環等の転換をもたらに関わる四つの設問に対する研究観測の展望についし、表層環境を大きく変動させた。一方で、氷床荷重変て、以下に記載する。これらの四つの設問をもとに研究

動に伴う固体地球の変動のように、表層環境の変動にを推進し、結果を統合する事により、様々な時間・空間

対する固体地球の応答現象も存在する。北極域には、スケールの総和としての固体地球変動と表層環境変動

プレート境界である中央海嶺での現在の活動から、極との関係を明らかにし、地球システムにおける固体地球域固有の数万年スケールの氷床荷重変動に伴う地殻

圏サブシステムと大気・海洋圏サブシステム等との相互変動現象から、大陸の成長・離合集散といった数十億作用の解明を目指す。

Q1: 現在活動する北極海海嶺熱水系と海洋環境との相互作用は？
実施された米国とドイツとの共同計画である AMORE110

a. 研究の重要性と現状
中央海嶺や背弧拡大系は、活動的な火山の連なりででの観測船による調査の結果、超低速拡大であるガッケあり、これらに沿ってこれまでに多くの海底熱水系が発ル海嶺の海嶺軸上に多数の熱水活動が高密度に分布見されている。海底熱水系は、地球内部のエネルギー

している事が推定されている（Edmonds et al., 2003、

や硫化水素、メタン、水素等の還元性ガスを放出する場

図 44）。一般には、低速拡大の海嶺軸では、マグマ活動であり、熱水鉱床の形成等、地球の熱や物質の循環をも低く熱放出量も小さいと考えられており、同様の超低速考える上で重要であり、そこで噴出する熱水の化学組

拡大の海嶺軸である南西インド洋海嶺では、ガッケル海

成はその場の海底の岩石種や熱源等によって異なり、嶺のような高密度の熱水活動は見つかっておらず、低速それぞれ異なるタイプの生態系を支えていることが明ら拡大である大西洋中央海嶺ですら、これほど高密度のかになっている。

熱水活動は確認されていない。南西インド洋海嶺や大ガッケル海嶺は、北極海のほぼ中央に位置する北米

西洋中央海嶺では、断層が熱水活動に大きく関与してプレートとユーラシアプレートの境界を成す現在活動しいると考えられているが、ガッケル海嶺の熱水活動はそている中央海嶺系の一つであり、北極海の海氷下に存れだけでは説明できず、熱水系周辺の岩石の種類にも在し、調査の難しい地域である(図 43)。ガッケル海嶺

関 係し て い る 可 能性が 示 唆さ れ る （ Michael et al.,は、超低速拡大（<12 mm/年）に分類され、その拡大速

2003）。また、生物学的には、高密度の熱水活動が存在

度、地理的な位置、構造等から、世界の中央海嶺系のする特異なガッケル海嶺の熱水系で、新しい化学合成

中でもユニークなエンドメンバーとされている。

生物群集の発見も期待されている。

ガッケル海嶺では、これまでにも観測船、航空機、潜2007 年には、米国主導のもと、AGAVE 111 航海とし

水艦等による調査がいくつか行われている。2001 年にて、スウェーデン、ドイツ、日本の 4 ヶ国共同の AUV112

110

AMORE： Arctic Mid Ocean Ridge Expedition
AGAVE： Arctic Gakkel Vents Expedition112
AUV： Autonomous Underwater Vehicle、自律型無人潜水機
111

115

を利用したガッケル海嶺の熱水系調査が行われたが、残念ながら熱水噴出孔を発見するに至らなかった。しかし、85°E の約 4000ｍの非常に深い海嶺
軸周辺の調査から、爆発的な火山活動を示唆するデータや（Sohn et al.,2008）、低温域で生育する黄色のふわ
ふわしたバクテリア・マットの存在等が明 ら か に な っ て い る （ Shank et al.,2007）。またその後、ガッケル海嶺の南のモーンズ海嶺で初めてブラック・スモ
ーカーを伴う熱水系が発見されており、さらに熱水系に伴う生物相が、これより南の大西洋中央海嶺の生物相とは異なる事が確認されている（Pedersen
et al., 2010）。AMORE 航海においては、ガッケル海嶺で多数の熱水活動の高密度分布が推定されているだけであり、世界の海嶺系の中でもユニークなこの海嶺の未だ実際に確認されていな

図 43

北極海の海底地形図。Jakobsson et al., (2008)に加筆。

い熱水噴出孔の分布と熱水活動の成因や、それに伴う生物群集等を探るた
めには、より詳細な海嶺軸上の探査が必要である。さらに、ガッケル海嶺の熱水活動による熱フラックスの海洋循環への影響は、熱水活動が高密度であると推定されているがスポット的な寄与であるので、それほど大きくないと推定されるが、これらも実際の観測データによる検証が必要である。

b. 今後の研究
ガッケル海嶺の熱水噴出孔の特定には、ROV113や AUV 等の海中ロボットを使用した調査が必要である。ガッケル海
嶺が海氷下に存在する事から、海中ロボットを使用するには、砕氷船は必要不可欠であり、海中ロボット探査には、砕氷観測船による事前の船上での海底地形や海洋観測等が必須である。また、海中ロボットによる海氷下の探査においては、未だ実際の探査事例も少ない事
113

図 44

ガッケル海嶺で熱水活動が示唆される地域(Edmonds, et al., 2003)

ROV： Remotely Operated Vehicle、遠隔操作無人探査機

116

から仕様や運用形態等の検討も必要である。熱水噴出噴出孔およびその周辺の観察と、岩石や生物の観察を孔の特定は、観測船による海底地形等の音響探査から実施する。さらに、熱水活動の成因を探るには、熱水噴調査対象範囲を絞り込み、詳細な物理・化学的計測に

出孔周辺の地震探査、電磁気探査や地磁気探査等を

より熱水の兆候を捉え、熱水域の存在とおおよその位実施し、海底下の構造等を明らかにする必要がある。ま

置を推定し、最終的に海底観察、調査を行うという方法

た、熱水域の熱や物質フラックスの変動等の推定には、で行う。熱水活動の成因や、それに伴う生物群集等の熱水域の海洋物理・化学的調査の長期変動モニタリン

探査では、熱水噴出孔の特定後、ROV 等による熱水グ計測も必要となる。

Q2: 氷床変動に伴い固体地球はどのように変形してきたか？
a. 研究の重要性と現状

氷床変動に伴う地球変形研究で最重要課題は、

本 Question では、数年から数万年スケールにおよぶ

LGM 以降の氷床の分布の拡大縮小や増減の歴史（氷氷床の変動が引き起こす固体地球の変形現象を対象と

床融解史）を明らかにすることである。この氷床融解史する。氷床の荷重は地球表面に圧力として働く表面力が高精度で求められると、氷床融解に伴う地球変形が（表面荷重）の一つであり、氷床の変動は、氷床質量と、海水準変動に与える影響についても精度よく求めること

例えば氷床が融解し海中に流入した場合には海水の質ができ、現在進行中の地球温暖化に伴う海面上昇を予

量変化を伴い、海水準の変化ももたらす。これによって測する精度を向上させる上で重要な貢献となる。過去

生じる表面荷重の変化は固体地球の変形を生じさせから現在に至る固体地球の変形の大きさや分布が詳細114る。このような現象を氷河性地殻均衡 （GIA）と呼び、にわかれば、それから逆に LGM 以降の氷床融解史を

その様子は、荷重変化の時間的・空間的スケールにより復元することが可能となることから、氷床変動に伴う固体異なる。地球は、短い時間スケールの荷重変化には、

地球の変形を調べるという本 Question の重要さをご理『弾性的』に応答し、数千年を超える時間スケールの荷解いただけると思う。

重変化には『粘性的』に応答することが知られている。本

地形地質学的アプローチとしては、貝化石やサンゴ礁

Question で対象とする氷床変動は、長いものは数万年の分布、海浜地形や氷河地形地質調査、海底堆積物調に及ぶ時間スケールの現象で、空間スケールも数査などによって、過去の相対的海水準高度を明らかにす

1000km に及ぶため、固体地球に対してグローバルで、ることで、過去数万年にわたる海水量（氷床量）の変化とかつ粘性的な変形と弾性的な変形の両方をもたらす。

地殻の隆起・沈降の歴史が推定されている。それをもと北極域における GIA 研究は主に、地形地質調査、測に、地球の粘弾性変形を考慮した GIA モデルの計算値

地観測、数値モデル計算の 3 つのアプローチで進めらと比較することで、過去の両極の氷床分布変動が復元されている。これらは、最終氷期終了後の地殻隆起、すなれている（例えば、Peltier, 2004）。しかし、地域毎の氷

115

わち、後氷期地殻隆起 （PGR）を対象としている（例え

床分布については、まだ提案されている各モデル間のば、Peltier, 2004）。PGR とは、最終氷期最盛期

116

違いは大きい。例えば、約 1 万 4 千年前の急激な気候(LGM)に北米や北欧を覆っていた大陸氷床のほとんど変化に伴う氷床融解イベントに対する各氷床の寄与にが約 6 千年前に融解消滅し、その後も継続して地殻がついては、まだ決定的な結論は出ていない。

浮力でゆっくり隆起しているという粘性的な変形現象で測地観測に関しては、過去 100 年以上にわたる潮位ある。また近年、現在進行中の地球温暖化の影響とし観測から、PGR が進行している地域での地殻の隆起がて、グリーンランド氷床やカナダ北極群島の氷河の急激

平均潮位の下降という形で観測され (例えば、な減少が報告されているが、これらの氷床変動によってBarnett, 1984)、スウェーデンでは長距離の水準路線

も固体地球の弾性的な変形が生じていることが明らかににおいて高さと重力の変化が測定されており(図 45)、マ

なってきた。

ントル粘性についての推定も行われている（例えば、

114

氷河性地殻均衡： Glacial Isostatic Adjustment（GIA）
後氷期地殻隆起： Post Glacial Rebound（PGR）
116
最終氷期最盛期: Last Glacial Maximum（LGM）、約 2 万年前
115

117

Ekman and Mäkinen, 1996）。Global Navigation

布をより正確に推定することが可能になれば、地球内部

Satellite System (GNSS)などの宇宙測地技術による物理学の研究分野にも重要な貢献となりうる。

地上観測が普及した 1990 年代後半になると、極域の極域の GIA 研究に対する日本のコミュニティの貢献

数多くの点で宇宙測地技術を利用した地殻変動の連続としては、まず南極域では、日本南極地域観測隊により観測が行われるようになり、現在では北米やグリーンラ

昭和基地および周辺露岩域において、地殻変動観測

ンドなどではかなりの高密度で GNSS による地殻変動や重力測定、地形地質調査が組織的に実施されていのモニタリング観測が実施されている（例えば、Sella etる。その結果、昭和基地およびその周辺では現在 2～al., 2007、図 46)。また、2000 年代に入ると、衛星重力3mm/年の割合で地殻が隆起し、それに相当する重力ミッションや衛星高度計を利用した氷床量の変動観測変化も生じていることや、LGM を含む 4.5 万年前以降、が行われ、PGR による変動量も推定されるようになった

昭和基地近傍では氷床に覆われておらず、北半球の（Barletta and Bordoni, 2009）。近年の衛星測地観測

氷床拡大とは必ずしも同期していなかったことを明らか

は高解像度、高時間分解能での観測を可能にしたが、一方でマントルの粘性構造を反映した現象は、その変動速度が遅く、変位量が小さいという特徴があるため、GIA に伴う地殻変動速度の正確な検出には、現在の最先端の観測技術をもってしても 10 年程度の観測値の蓄積が必要である。そして、これらの観測値には上述のように、過去の氷床変動に伴う地殻変動（粘性的な変動）と現在の氷床変動に伴う地殻変動（弾性的な変動）が含まれており、氷床融解史の復元やマントル粘性率の推定には主に前者が必要であることから、これらの分離も大きな課題の一つである。
マントルの粘性率は、プレートテクトニクスに関連した
地球内部の動きを決める重要なパラメータであるが、マントルの粘弾性構造を現象に基づいて推定する方法は少ない。高解像度、高時間分解能の地上および衛星に

図 45 1892 年～1991 年にかけて観測されたスカンジ
ナビア地方の後氷期隆起(単位は mm)と重力測定線（Ekman and Mäkinen, 1996）。

よる観測値と様々なマントルの粘性構造を考慮した数値モデル計算との比較研究より、マントルの粘性率や分図 46

GPS で観測された地殻変動。(左)上下方向、(右)水平方向 (Sella et al. 2007)。

118

積物のコア採取技術の開発も進める必要がある。

にしている。一方、北極域では、組織的ではないものの、ノルウェーのニーオルスンや、アラスカにおいて地次に測地観測であるが、陸上での観測はすでにかな

殻変動観測や重力測定が実施されており、ニーオルス

りの高密度で行われており、10～20 年先の方向性としンでは年間 5～7mm の隆起が観測されている。

ては、海底での観測をめざすべきであろう。そのためには、北極域でも運用可能な海上 GPS と音響測距、海底観測装置を組み合わせた海底地殻変動観測システム

b. 今後の研究
本 Question に対する解明をさらに進めるためには、を開発導入し、海底において 1cm の精度で地殻変動

観測空白域における観測研究を展開していくことが急を検出できるようなネットワーク観測網の構築を推進す務である。例えば、これまで調査地域は主に陸上に限らべきである。さらに、広域の氷床変動や地殻変動を求めれており、海底はほとんど観測空白域として残っているために、これまで以上に、衛星重力ミッションや衛星る。当然のことながら、変動は大陸棚などの海底でも起高度計、合成開口レーダーなどの衛星測地データを活こっており、大陸棚の詳細な地形観測は、氷床拡大域用するべきであることは言うまでもない。

の拘束に貢献することが期待される。さらに氷床荷重域

地球温暖化の将来予測の精度を上げるためには、モから離れた海底での地殻変動観測なども氷床モデルやデルの不確定性を低減させることが不可欠である。この粘性構造を拘束する上でも重要である。

ためには、さまざまな複雑性やプロセスを考慮したモデ

まず、地形地質調査では、観測空白域としての北部

ル開発も重要になる。例えば、地球内部の粘性率の水

グリーンランドやカナダ北極群島などの地域における現平不均質の影響や、氷床流動モデルとの結合などを、

地地形調査や試料採取、堆積物掘削といった従来から

現在のモデルに組み込んでいくことが挙げられる。まの調査を行う必要がある。特に、グリーンランド沿岸部のた、これらのモデル構築のためには、計算技術の開発

過去の海水準高度データは、量、質ともに不足しているや高解像度のデータ解析手法の開発も必要となってく地域があり、グリーンランド氷床融解史の復元の不確定るだろう。

性の要因となっている。このような観測を可能にするに観測・研究体制に関しては、この分野での北極域のは、砕氷船を基地として、搭載ヘリコプターで対象となる観測は、少数の研究者による個人ベースの研究や観測

地域の沿岸観測点まで移動可能とし、現地調査の利便にとどまっており、組織的な研究観測活動の取り組みが性を図るとともに、地上レーザースキャナーの利用など必要である。また、モデル開発研究でも同様な状況であ

新たな地形調査技術の導入が不可欠である。一方、大り、古気候モデル分野等の他分野との連携を進め、携陸棚も含めた海底の調査では、ROV や AUV を用いてわる研究者の育成も含めて更なる枠組みの構築が急が海底地形地質の調査や試料採取を行うとともに、海底堆れる。

Q3: 北極海が形成されていく過程で、大気－氷床－海洋の相互作用がどのように変化していっ
たか？
a. 研究の重要性と現状から、海底下の地質構造等については未だ不明点が多海洋底の拡大と沈み込み、それに伴う大陸の形成やく残されている。北極海は、ロモノソフ海嶺を境に、ユー分裂といった、地球内部の熱対流の活動により、地球表

ラシア海盆とアメラシア海盆の二つに大きく区分される。

層の大陸と海洋の配置は変化し、海洋循環や大気循環

ユーラシア海盆は、現在も続く北極海ガッケル海嶺の活等の地球表層環境に大きな影響を与えている。特に、動により新生代に形成された海盆であり、海底の年代

海洋底の形成は海洋循環を大きく変動させる要因とな同定に用いられる地磁気異常縞模様等からその発達史る事から、現在の深層循環の出発点となる北極海の海は比較的よくわかっている。一方、アメラシア海盆は、中洋底の発達史と古気候・古環境復元を組み合わせた研生代以降に形成されたと考えられているが、地磁気異究は、北極海形成過程における海洋循環の変動史や常縞模様もカナダ海盆の一部で同定されているだけで大陸氷床の発達史等を明らかにし、大気－氷床－海洋（Vogt et al., 1982）、その発達史はほとんどわかっていの相互作用の時間的変化の解明に大きく寄与する。北ない。特に、アメラシア海盆内のアルファ海嶺、メンデレ

極海は、海氷に覆われており、海底の調査が困難な事

ーフ海嶺の成因については、1)大陸起源で、2)過去の119

海底拡大軸、3)プルーム起源、または、4)沈み込み、な低下の方が、新生代における全球的寒冷化の主原因

ど未だ様々な説があり論争中の問題である。これまでのであることを示唆する。しかし、北極海の発達過程と表研究として、数は少ないものの地震探査等が行われて層環境変動の関係、特に温暖化ガスの吸収と有機物やおり、アルファ海嶺は海洋地殻である事が示唆されておハイドレートとしての固定や、海洋循環の変遷と大陸氷り（Jokat, 2003）、一方、メンデレーフ海嶺には大陸地床の発達史等との関係を解明するには、北極海のテクト殻が含まれている可能性が示されて
い る （ Lebedeva-Ivanova et al.,2006）。その他にも、重力データ等を用いた研究による、アメラシア海盆下の構造を推定した研究も行われている（Alvey et al., 2008）。しかし、未だ調査が少なく、ユーラシア海盆を含む
北極海の発達史の解明が望まれる。
一方、2004 年にロモノソフ海嶺で実施された ACEX (Arctic Coring
Expedition-IODP

Leg

302)

（Backmanet al., 2006） では過去
5500 万年前に遡る記録が得られ、従来と異なり北半球高緯度も南極域と同調して始新世中期には寒冷化を開始したことが明らかになった（Moranet al., 2006）。このことは、ドレーク海峡の成立などのテクトニックなイベント
による地域的な気候変動よりも、北極図 47 北極海の地磁気異常データのカラーイメージ(Verhoef et al., 1996 and Glebovsky et al., 1998)。

海の成立などによる海底堆積物への固定有機物を通した大気 CO2 濃度の

図 48

メンデレーフ海嶺付近の地震波速度構造 (Lebedeva-Ivanova, et al., 2006)。

120

ニクス研究とともに堆積物等を用いた詳細な古環境復床発達史等を理解するために、ユーラシア海盆におい元とその解析が必要とされる。

ても堆積物採取を実施する。最終的には、北極海全体のテクトニクスと、海洋循環の変遷や大陸氷床発達史等

b. 今後の研究の古気候・古環境変動解析を組み合わせる事により、北極海の発達史、特に、アメラシア海盆のテクトニクス

北極海形成過程に伴う大気－氷床－海洋の相互作用を解明する鍵となるのは、アルファおよびメンデレーフの変遷を明らかにする。

海嶺である。これらの成因等を明らかにするには、これ

上記の観測等は、国際的な IODP 等の北極海域でらの海嶺とその周辺海域を対象とした、地震探査を含の将来の深海掘削計画へと繋がっていくものである。北む可能な限り広域の固体地球物理探査および岩石採極海域の深海掘削では、2004 年にロモノソフ海嶺で実取等の地質学的調査を実施することが重要である。海施された ACEX に、日本人研究者が参加し大きな貢献

洋底形成前の地質構造の復元および整合性等の検証を果たしている。しかし、現在検討されている IODP 等を行うため、この海域周辺の大陸地質構造等の把握もによる北極海域での深海掘削計画に日本の研究コミュ必要となる。これらを基に、アルファおよびメンデレーフ

ニティは組織的には加わっていない状態である。このよ

海嶺、およびその周辺海域の発達史およびその成因をうな北極海域での国際的な掘削計画への、日本の参加明らかにし、北極海全体のテクトニクスの解明を目指

および貢献が望まれるとともに、北極海域での固体地球す。また、これらの発達過程に伴う表層環境変動を解明

科学に関する研究観測活動を活発にする事により、日するために、堆積物採取による古環境、古気候の復元

本の研究コミュニティを育成していく事も必要である。

を行う。加えて、新生代以降の海洋循環等の変遷や氷Q4: 数千万年～数十億年といった時間スケールでの地球表層環境変動に北極海と周辺大陸の発達過程はどのように影響を与えたか？
a. 研究の重要性と現状は、「北極域」という地理的制約はあまり意味を持たな

数千万年～数十億年といった比較的長い地質学的い。ここ Q4 で掲げる研究テーマは、上述の Q1～Q3 で

時間スケールでの地球環境変動の解明は地球科学の記載したような「北極環境」研究を主眼とするものではな

大きな研究テーマの一つである。北極海の形成発達はく、むしろ「北極域」に分布する地質情報を用いて「地球今から約 1～2 億年前に遡り、北極海の海洋底探査か史」という時間スケールでの環境変動研究を目的とするらこうした時間スケールでの情報がこれまで得られていものである。

る（図 49）。

こうした北極域に分布する地層の持つ重要性から、こまた、北極海周辺の大陸域には先カンブリア時代（＞

れまで多くの地質学的研究がおこなわれてきている。し5 億年前）に遡る複雑な地殻発達の地質情報が記録さかし、アクセスの容易な他の地域と比較すると、北極域れている。大陸の地質情報と海洋域の地殻物理探査をから得られている地質データはまだまだ質・量ともに十組み合わせた解析によって、北極海の形成プロセスと分とは言い難い。過去の大陸の地質対比や形成発達

北極域の大陸と海洋の配置（古地理）の研究がこれまで過程についても、様々なモデルが提案されてきている

すすめられてきている（図 50）。

（図 51）。

このように、大陸域と海洋域の両方の情報を組み合上述したように、これまでの研究の蓄積によって、北わせて解析をおこなうことによってはじめて、北極域の極域には様々な時代の地層が分布することが明らかに

過去の海洋と大陸の発達過程の復元が可能となり、まなっている。その中でも特にカナダ北極圏の約 40 億年

た、数千万年から数十億年という時間スケールでの環前の地球最古の岩石（アカスタ片麻岩）や、グリーンラン

境変動を考察する上で基盤となる情報が得られる。

ド西岸イスア地域から見つかっている約 38 億年前の岩さらに北極域の重要性の一つは、カナダ北極圏やグ石の存在は、北極域が地球初期から現在までの非常にリーンランド西岸などに見られる地球創生期の 40～38

長い地質学的時間スケールでの地球環境変動の研究

億年前の地層の存在である（例えば、Bowring et al.,に適したフィールドであることを証左している。また、北1989; Nutman et al., 2007）。こうした時間スケールで極域に分布する大陸地域には、露出した深部地殻に相

121

図 49

北極域の海洋底の地球物理および地質情報（Seton et al., 2012）

b. 今後の研究

当する高度の変成作用を受けた岩石や、変成作用をほとんど受けていない地殻浅所に由来する低変成度の岩ここで挙げた Question を解明するための方法とし石も分布する。特に後者は、こうした地球史の時間スケて、陸上での地質調査と海洋域における地球物理探査ールでの地球の表層の環境復元に適した研究対象となによるデータを統合的に組み合わせることが必要であり得る。すなわち、北極域の地殻研究を通して 30～40

る。具体的には、海洋底物理探査によって過去 1～2 億

億年という時間スケールでの地球表層環境変動の解析年前に遡る海洋底の発達史を明らかにする。近年の北が可能である。また、同時期の露出した深部地殻（高度

極域の夏季の海氷の減少によって観測船のアクセスで変成岩）との対照研究によって、地球表層環境変動と大きるエリアが広がるとともに、無人探査船を用いた海中

陸地殻深部での現象との相互作用という視点での研究

物理探査などによっても新たな情報を得ることが可能でが推進可能である。

図 50

北極域の過去（750-250Ma）の大陸配置の変遷（Vernikovsky et al., 2013）

122

図 51

北大西洋域における過去の大陸配置の復元図（Lorenz et al., 2012）ある。また、陸域の野外地質調査によって、北極域の地可能と考えている。このように、地殻構造推定データを殻を構成する物質の岩石学的、地球化学的、年代学的地球物理探査データの解析と密接にリンクさせること研究によって、地殻深部と表層地殻の地質学的時間ス

で、北極域の固体地球圏の数千万年から数十億年といケールでの物質循環の解析が可能である。また、海洋う時間スケールでの特質を明らかにすることが可能とな域から得られた海洋底の発達史を陸域の地質対比による。

って、過去の大陸配置のより高精度の復元をおこなうこ研究の基礎データを得るための地質調査は、特別なとが可能となる。このような地質学的時間スケールでの装置や事前準備などは特に必要なく、機動的に現地調プロセスを明らかにするには、高い精度で年代決定を査を実施することが可能である。北極圏はアクセスならおこなう分析手法や、過去の環境変動の指標となるようびに設営面の困難さから、南極とならんで野外調査デな同位体（地球化学的トレーサー）に着目した同位体分ータの蓄積の乏しい地域となっている。グリーンランドで析を組み合わせた解析が必須である。国立極地研究所の地質調査や、その地質延長と考えられるスコットランドに導入されている 2 台の二次イオン質量分析計はこうしやカナダ北極圏の地質研究などでは、これまで日本のた物質科学的解析の柱となる。

研究コミュニティも少なからず貢献している。今後も 5～また、地殻構成物質の研究をベースに、直接計測の10 年内のタイムスパンで機動的に野外調査隊を組織し難しい氷床下の大陸地殻ヒートフローの見積りなどの解て、さらに精力的に北極域での現地地質調査を含めた析も可能である（例えば、Carson et al., 2014）。氷床研究に取り組む必要がある。南極の調査で蓄積したノウ

下の地殻情報は地球物理探査（重力、地磁気）によるハウをベースとして北極域での機動的な現地地質調査

解析が不可欠である。こうした物理情報と氷床縁辺に露をおこなうことによって、Question の解明に必要な基盤

出する岩石の情報を組み合わせることで、氷床下の地

地質データを取得する。

質を推定する試みがなされ得る。また、その際に、岩石の地球化学的情報や熱源となりうる放射性元素含有量を精密に見積ることで、氷床下地殻の熱流量の推定が123北極環境研究の長期構想(Long-term Plan for Arctic Environmental Research)

北極環境研究コンソーシアム(JCAR, Japan Consortium for Arctic Environmental Research)

2014年9月 発行
2015年3月 改訂

連絡先: 北極環境研究コンソーシアム事務局〒190-8518 東京都立川市緑町 10-3
国立極地研究所 内
E-mail: jcar-office@nipr.ac.jp
ホームページ

http://www.jcar.org/

20160629

北極環境研究の長期構想
目次

巻頭言 ................................................................................................................................................................. i
1章

報告書で目指すこと ............................................................................................................................... 2

2章

背景と内容 .............................................................................................................................................. 33章

北極環境の現在までと近い将来に起こりうる変化 ............................................................................... 44章

北極環境研究の歴史 ............................................................................................................................... 75章「現在進行中の地球温暖化に伴う北極の急激な環境変化を解き明かす」研究テーマ ........................ 9

テーマ 1： 地球温暖化の北極域増幅 ..................................................................................................9Q1：下層から上層の大気における水平・鉛直熱輸送は、北極温暖化増幅にどう影響するか？10
Q2：陸域積雪・凍土・植生・氷床の役割は重要か？................................................................ 12
Q3：季節変動をもつ海洋の熱蓄積と海氷アルベドの役割はどの程度か？ ............................... 14
Q4：雲とエアロゾルがもつ役割を定量化できるか？................................................................ 16
Q5：北極温暖化増幅はなぜ起こっているのか？ その予測と不確実性はどれほどか？
北極域における放射強制力とフィードバック・プロセスはどう変化するのか？ ............. 17
テーマ 2： 海氷減少のメカニズムと影響 .........................................................................................19
Q1：風のパターンや海氷の流動性の変化は海氷減少を促進するか？....................................... 20
Q2：海氷の熱的減少はどのように進むのか？ .......................................................................... 21
Q3：海氷減少が雲や低気圧に及ぼす影響は？ .......................................................................... 23
Q4：海氷減少が海洋内部に及ぼす影響は？ .............................................................................. 23
10～20 年後を見据えた戦略 ...................................................................................................... 24
テーマ 3： 物質循環と生態系変化 ....................................................................................................30
Q1：大気中の温室効果気体やエアロゾルなどの濃度はどう変化するか？ ............................... 31
Q2：陸域生態系にかかわる物質循環はどう変わるのか? .......................................................... 34
Q3：陸から海への物質輸送の定量的解明には何が必要か? ....................................................... 36
Q4：海洋生態系にかかわる物質循環はどう変わるのか? .......................................................... 38
テーマ 4： 氷床・氷河、凍土、降積雪、水循環 ..............................................................................42
Q1：氷床・氷河の変化は加速するか？ ..................................................................................... 42
Q2：永久凍土の変化は気候変動とどう連鎖するのか？ ............................................................ 46
Q3：北極域の降積雪はどう変化しているか？ .......................................................................... 48
Q4：環北極陸域の水文過程はどう変化するか？ ....................................................................... 50
テーマ 5： 北極・全球相互作用........................................................................................................53
Q1：＜大気の役割について＞ 北極振動などの大気変動は強まるか弱まるか？....................... 54
Q2：＜海洋の役割について＞ 大西洋・太平洋間の海水循環は強まるか？
深層水形成は減るか？ 中緯度海洋大循環は変わるか？ ................................................. 56ii

Q3：＜陸域の役割について＞ 植生と凍土の変化による炭素収支や物質循環への影響は？
積雪と植生の変動による広域エネルギー水循環への影響は？ ........................................ 58
Q4：＜超高層大気の役割について> 極域超高層大気が下層大気・超高層大気全球変動に及ぼす影響は？ ............................................................................................................... 60
Q5：＜多圏相互作用について＞ 超高層大気、大気、陸面積雪と植生、海洋のどれを経由する影響が大きいか？..................................................................................................... 61
テーマ 6： 古環境から探る北極環境の将来 .....................................................................................64
Q1：過去の北極温暖化増幅は現在とどれほど異なり、その要因は何か？ ............................... 66
Q2：過去のグリーンランド及び大陸の氷床はどう変動し、その要因は何か？

気候変動との関係と海面水位への寄与は？ ................................................................................... 68
Q3：過去の北極海の環境はどのようなものであったか。とくに海氷と生物生産について ...... 70
Q4：過去の北極陸域環境は現在とどれほど異なり、大気組成や気候とどう関係したのか？ ... 72
Q5：過去の北極において、数年～数百年スケールにおける自然変動の強度や時空間パターンは現在と異なっていたか？そのメカニズムは何か？ ........................................ 74【ボックス 1 】古環境プロキシや年代推定手法の開発と解釈................................................. 76
テーマ 7： 北極環境変化の社会への影響 .........................................................................................77
Q1：地球温暖化も含めた気候変動による影響は？ ................................................................... 78
Q2：地球温暖化に起因する陸域環境の変化による影響は？ ..................................................... 82
Q3：地球温暖化に起因する海洋環境の変化による影響 ............................................................ 83
Q4：太陽活動と北極超高層大気の影響 ..................................................................................... 85
Q5：北極圏人間社会の対応 ....................................................................................................... 86
6章「生物多様性を中心とする環境変化を解き明かす」研究テーマ ....................................................... 89

テーマ 8： 陸域生態系と生物多様性への影響 ..................................................................................89
Q1：人為的な要因で起こる環境変動は北極陸域生態系にどのような影響を及ぼすか？ .......... 90
Q2：生物多様性はどのような影響を受けるか？ ....................................................................... 93【ボックス 2 】生物多様性とは？ ........................................................................................... 93【ボックス 3 】学名の不一致問題 ........................................................................................... 94
Q3：北極陸域生態系の変化が動物や気候に与える影響はどうなるか？ ................................... 95【ボックス 4 】トナカイの生息変化 ........................................................................................ 95【ボックス 5 】水鳥のモニタリング ........................................................................................ 96
テーマ 9： 海洋生態系と生物多様性への影響 ..................................................................................97
Q1：陸域・大気の物質は北極海の生態系・多様性に大きな影響を与えるのか？ ..................... 98
Q2：北極海の生物は物質をどのように輸送・変質しているのか？ .......................................... 99
Q3：北極海の食物連鎖と生態系変化・多様性はどう関係しているか？ ................................. 101【ボックス 6 】表層－底層生態系のカップリング ................................................................ 102【ボックス 7 】バイオロジカル・ホットスポット ................................................................ 102
Q4：成層化、脱窒、および海洋酸性化は北極海の生態系・多様性にどのような影響を及ぼすのか？ ................................................................................................................. 103
7章「北極環境研究の広範な重要課題」研究テーマ ............................................................................... 105

テーマ 10： ジオスペース環境 .......................................................................................................105
Q1：ジオスペースからの超高層大気や、より下層の大気への影響は？ ................................. 107

iii

Q2：超高層大気が下層・中層大気に与える影響は？.............................................................. 108
Q3：下層・中層大気変動が超高層大気に与える影響は？ ...................................................... 110
Q4:超高層大気を通した極域から中低緯度へのエネルギー流入は？ ....................................... 112
テーマ 11： 表層環境変動と固体地球の相互作用 .......................................................................... 114
Q1：現在活動する北極海海嶺熱水系と海洋環境との相互作用は？ ........................................ 115
Q2：氷床変動に伴い固体地球はどのように変形してきたか？ ............................................... 117
Q3：北極海が形成されていく過程で、大気－氷床－海洋の相互作用がどのように変化していったか？ ............................................................................................................. 119
Q4：数千万年～数十億年といった時間スケールでの地球表層環境変動に北極海と周辺大陸の発達過程はどのように影響を与えたか？ ........................................................... 121
テーマ 12： 永久凍土の成立と変遷過程の基本的理解 ...................................................................124【ボックス 8 】永久凍土の成立と変遷過程の基本的理解 ...................................................... 127
Q1：北極圏の永久凍土はどのような広がりと深さをもって存在しているのか？ ................... 128
Q2：永久凍土を構成する物質はどのような分布を持ち、どの程度の不均一性があるか？ .... 129
Q3：永久凍土はどのような様態・規模で昇温・融解するのか？ ............................................ 130
Q4：永久凍土－大気－積雪－植生サブシステムはいかなる構造と挙動の特性をもつのか？ . 133
8章「環境研究のブレークスルーを可能にある手法の展開」テーマ ..................................................... 136

テーマ A： 持続するシームレスなモニタリング ...........................................................................136
海洋圏モニタリング ................................................................................................................. 137
雪氷圏モニタリング ................................................................................................................. 140【ボックス 9 】氷河質量収支の観測 ...................................................................................... 142
大気圏モニタリング ................................................................................................................. 143
陸域圏モニタリング ................................................................................................................. 145
テーマ B： 複合分野をつなぐ地球システムモデリング.................................................................148
Q1：地球システムモデルについて開発課題は何か？.............................................................. 149
Q2：大気モデルについての開発課題は何か？ ........................................................................ 153
Q3：海洋・海氷モデルについての開発課題は何か？.............................................................. 154
Q4：陸面・雪氷モデルについての開発課題は何か？.............................................................. 158
テーマ C： モニタリングとモデリングをつなぐデータ同化 .........................................................160
北極圏におけるデータ同化研究の現状 .................................................................................... 161【ボックス 10 】データ同化技術の解説 ................................................................................ 162
データ同化を北極環境研究に展開する方針 ............................................................................. 164
北極圏データ同化研究の実現に向けた環境整備 ...................................................................... 169
9章

研究基盤の整備 ................................................................................................................................... 173

砕氷観測船 ............................................................................................................................... 173
衛星観測 ................................................................................................................................... 175
航空機 ...................................................................................................................................... 177
海外の研究・観測拠点 ............................................................................................................. 178
データおよびサンプルのアーカイブシステム.......................................................................... 181
人材育成 ................................................................................................................................... 183
研究推進体制............................................................................................................................ 185
iv

分野別研究機器等 .................................................................................................................... 187
10 章

長期にわたる方向性と取り組み体制のまとめ ................................................................................. 195

11 章

資料 ................................................................................................................................................... 198

引用文献 ................................................................................................................................... 198
執筆者等一覧............................................................................................................................ 209v