海の研究（Oceanography in Japan），30（5），199−225，2021，doi: 10.5928/kaiyou.30.5̲199
特集「海洋学の 10 年展望 2021 」（日本海洋学会 将来構想）

─ 総 説 ─海洋学の 10 年展望 2021：大気海洋境界＊

岩本 洋子 1＊＊・相木 秀則 2・磯口 治 3・大林 由美子 4・
近藤 文義 5・近藤 能子 6・西岡 純 7
要旨

海洋は大気と熱，気体，粒子を交換することで，地球の気候に大きな影響を与える。海洋上の大気境界層における物理・化学・生物過程は，海表面での CO2 の吸収や雲の生成を介して地球大気の放射収支へ影響する。これはさらに気温・降水・日射の変化を経て海洋にフィードバッ
クをもたらす。気候問題のみならず，台風などの極端現象や波浪の観測・予測を通して，大気海洋境界は人間生活と直接的に関わっている。本稿では，大気と海洋の境「界面」にとどまらず，一次生産の場となる有光層から対流圏までの鉛直的に広い領域とその衛星観測を対象として，次の 10 年で取り組むべき研究課題を論じた。大気からの栄養塩沈着について，窒素，リン，鉄を含むエアロゾルの沈着は一次生産に寄与するのか？ 海表面のマイクロレイヤーが大気海洋界面として物質循環に果たす役割とマイクロレイヤーの物性をコントロールする要因は？ 温室効果気体や海洋生物起源気体の交換量を精緻化するために何が必要か？ どのような海洋性エアロゾルが雲形成に寄与し放射収支を変化させ得るのか？ 波浪に関わるプロセスについて，物質やエネルギーの交換量を左右する時空間分布を把握するために必要なアプローチは何か？ これらの問いに答えを出し人類が自然環境と共生するために必要な研究，ならびに
日本海洋学会と隣接学会との連携について，次の 10 年を展望する。
キーワード：栄養塩沈着，海表面マイクロレイヤー，気体交換，エアロゾル生成，波浪
＊

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2021 年 7 月 15 日受領；2021 年 9 月 7 日受理
著作権：日本海洋学会，2021 年
広島大学 大学院統合生命科学研究科〒 739−8521 広島県東広島市鏡山 1−7−1
名古屋大学 宇宙地球環境研究所〒 464−8601 愛知県名古屋市千種区不老町（一財）リモート・センシング技術センター〒 305−8505 茨城県つくば市千現 2−1−1 宇宙航空研究開発機構 筑波宇宙センター内
愛媛大学 沿岸環境科学研究センター〒 790−8577 愛媛県松山市文京町 3
海上保安大学校〒 737−8512 広島県呉市若葉町 5−1
長崎大学 大学院水産・環境科学総合研究科〒 852−8521 長崎県長崎市文教町 1−14
北海道大学 低温科学研究所 環オホーツク観測研究センター〒 060−0819 北海道札幌市北区北 19 条西 8 丁目
連絡著者：岩本 洋子〒 739−8521 広島県東広島市鏡山 1−7−1
TEL : 082−424−4568 FAX : 082−424−0758
e-mail : y-iwamoto@hiroshima-u.ac.jp

200

岩本・相木・磯口・大林・近藤 文義・近藤 能子・西岡
年後は，SDGs，国連海洋科学の 10 年，自動車の電動化などについて各国が目標を定めた期限に近く，今後 10 年

1. はじめにの生活様式の変容が大気中の人為起源物質の濃度を変化

本稿では，地理的に区別された海域ではなく，大気とさせることが考えられる。このような大気環境の変化が，海洋の境界で起こる様々な現象を取り扱う。
「大気海洋境

大気海洋境界にどのような影響をもたらすのかを追跡し界」というタイトルには，大気と海洋の境「界面」にとていく必要がある。そこで，本稿では，現時点での知見

どまらず，一次生産の場となる有光層から対流圏までのと予想をふまえて，著者らが特に重要で今後の発展が望鉛直的に広い領域を対象にしたいという著者らの思いがまれると考えた以下の 5 つのトピックスに絞り，現状と込められている。2013 年の将来構想（花輪・津田 2013;。
将来構想について論じた（ Fig. 1 ）浜崎ら，2013; 神田ら，2013; 岡ら，2013 ）を読み返すと，

2 節では，大気から海洋への物質輸送として，大気か

大気海洋境界に関わる研究トピックスとして，温室効果

らの栄養塩沈着を取り上げた。大気経由の栄養塩流入

気体の交換や大気からの窒素化合物の沈着が取り上げらは，特に外洋域の一次生産を支える上で重要であり，生れていたが，節をなすほどのまとまった記述はなかった。

物ポンプを介して地球表層の炭素循環に影響を与える可一方で，国際的には，現在の国際協同研究プログラム。3 節では，大気海洋間能性がある（岡ら，2021, 本特集）

Future Earth のコアプロジェクトとして，SOLAS（ Sur-の物質循環の「場」として古くから注目されながらもそ

face Ocean-Lower Atmosphere Study ）が 2004 年からの動態について未解明な部分が多い海表面マイクロレイ

活動しており，海洋学や大気科学を専門とする日本の多ヤー（ Sea surface microlayer; SML ）に焦点を当てた。

くの研 究 者が SOLAS-Japan（ https://solas.jp/ ）として界面である SML は，物理的環境のみならず化学組成・関わり知見を蓄積してきた。本将来構想が見据える 10

生物組成が下層の水とは異なる。また，大気と海洋が接「大気海洋境界」で対象とする〜10 km5 つのトピックス

大気からの栄養塩沈着

窒素 , リン , 鉄を含むエアロゾルの沈着は一次生産に寄与するのか？

自由対流圏

エアロゾル生成〜1 km

どのような海洋性エアロゾルが雲形成に寄与し放射収支を変化させ得るのか？

気体交換

温室効果気体や海洋生物起源
気体の交換量を精緻化するために何が必要か？

波浪に関わるプロセス

物質やエネルギーの交換量を左右する波浪の時空間分布を把握するために必要なアプローチは何か？

マイクロレイヤー

大気海洋境界面として物質循環に果たす役割とその物性をコントロールする要因は？

Fig. 1. Five topics covered by this paper on the air-sea boundary.

大気
境界層

マイクロ
レイヤー

有光層

201

海洋学の 10 年展望 2021：大気海洋境界
物性・化学組成

大気からの栄養塩沈着（2 節）

生態系・生物過程

程
組成
物過
化学
・生
系
生態

物性・化学組成・
物性

海表面マイクロレイヤー
交換速度
（3 節）
安
定

性

気体交換
（4 節）

エアロゾル生成（5 節）

生成フラックス

交換速度

波浪に関わるプロセス（6 節）

Fig. 2. Relationship between the ﬁve topics.

する場であるため，大気からの降下物の海洋への入口と着過程は，大気中のガスや大気エアロゾルの乾性沈着

して，大気海洋間の気体交換の場として，飛沫によってと，降水による湿性沈着に大別される。以下では，窒素，生成されるエアロゾルにより海洋から大気へと輸送されリン，鉄のそれぞれについて，大気から海洋への沈着にる物質の起源として，注目されている。4 節では，大気関する最近の知見と将来構想について記述する。

海洋境界面を介して行われる気体交換について，前回の将来構想から研究が発展したことや，さらに研究が必要

2.1. 窒素

なことをまとめた。5 節では，海洋から大気への物質輸

西部北太平洋は，経済活動が活発な東アジアの風下に送としてエアロゾル生成を取り上げ，海洋性エアロゾル

位置するため，人為起源窒素の沈着が海洋表層の栄養塩の雲形成を通した気候影響について研究展望をまとめ。
濃度に影響を与えると考えられる（ Jickells et al., 2017 ）た。大気と海洋の境界面における波浪は，SML の安定性，

例えば，領域化学輸送モデルと海洋生態系モデルを用い

気体交換の効率，そしてエアロゾルの生成率に寄与すた数値計算では，西部北太平洋亜熱帯域において，乾性る。6 節では，海上風速，砕波，うねりなど波浪に関わ沈着による無機態窒素の供給により，水柱積算の一次生

るプロセスについての観測，実験，理論の研究の進展を産に年平均でおよそ 1.7 倍の増加があると推算されていまとめた。2 〜 6 節の 5 つのトピックスは，各々完全に。西部北太平洋やその縁辺海る（ Taketani et al., 2018 ）独立したものではなく，相互に影響しあっており，さらでは，大気起源窒素の沈着量が増加すると，海洋表層のに生 態 系や 様 々な生 物 過 程とも強く結び ついている

余剰な窒素が増加し，窒素律速海域からリン律速海域に。この 5 つのトピックスを横断して総合的に理（ Fig. 2 ）。し変化する可能性が指摘されてきた（ Kim et al., 2011 ）

解する上で重要となる研究手法を 7 節にて提案した。8

かし，最近は特に中国の大気汚染対策が強化されたた

節ではこれらのトピックスと密接に関わる学会との連携

め，日本への越境汚染の影響は低減しつつある（ Uno etについてまとめた。本稿には人工衛星やセンサーの名前

al., 2020 ）。また，中国から排出されるガス態の大気汚染などについて多くの英略語が登場する。視認性をよくす

物質に関しては，SO2 や NOx は減少傾向にあるものの，るために本文中は英略語あるいはその日本語訳を用いてNH3 の排出は高止まりしており，これらのガスを前駆体記述するが，読者は必要に応じて本稿末の一覧を参照

として生成されるエアロゾル（硫酸アンモニウムや硝酸

し，原語や日本語訳を確認できるようにした。本稿が読アンモニウム）の存在比や粒径分布に影響を及ぼす（ Uno

者の新しい研究展開の一助になれば幸いに思う。

et al., 2020 ）。したがって，今後の西部北太平洋への大気. 2011 ）の予想
起源窒素沈着の変化の傾向は，Kim et al（

2. 大気からの栄養塩沈着とは異なる可能性があり，注視する必要がある。例えば，
東アジアおよび東南アジア域では，東アジア酸性雨モニ

外洋の栄養塩律速海域に栄養塩を供給するプロセスとタリングネットワーク（ The acid deposition monitoring

して，大気を経由した栄養塩沈着がある。大気からの沈

network in East Asia; EANET ）により，大気からの乾202

岩本・相木・磯口・大林・近藤 文義・近藤 能子・西岡

性沈着および湿性沈着のデータが蓄積されている。この

水履歴の地理的分布，降水量と海面塩分の対応に関するような地上モニタリングサイトのデータベースから外洋情報は十分でなく，スナップショットの観測結果をス

域における窒素沈着量を推定することは簡単ではないが，ケールアップする上での障壁となっている。現在，GS-発生源に近い地点での大気起源窒素の動向を探ることは

MaP のような衛星観測プロダクトでは 0.1 度格子場での可 能 で ある。また，過 去 に 行 わ れ た SEAREX（ Duce,

降水量分布を 1 時間ごとに提供している（ Kubota et al.,1989 ）や VMAP などの観測プロジェクトを参考に，太平2007 ）。降水量のリモートセンシング結果と現場観測に

洋の島嶼部に新たなモニタリングサイトを設置することよる海面近傍の塩分測定とを対応させた総合的な理解がも，西部北太平洋への窒素沈着量を把握する上で有用と今後の課題である。これは本稿全体における重要な提案考えられる。また，排出インベントリ作成や数値モデルの一つであり，後で詳しく説明する。

研究との連携を通して，観測値の再現を試み，今後 10年に起こる変化を統合的に理解することが必要である。

2.2. リン

一方で，経済発展の著しい南アジアでは，大気への人

大気中の窒素化合物に比べ，大気中のリン化合物の起為起源窒素放出量が増加している。特に，モンスーンに源や挙動に関する報告例は乏しい。その理由として，大よりインド亜大陸からインド洋への風が卓越する季節に気圏に存在するリンが，地球表層の他圏に存在するリンは，人為起源窒素の海域への沈着が考えられる。数値モと比べて極めて微量であることや，人間活動が大気中のデルによる 2050 年までの予測では，南アジアにおいて特リン化合物に与える影響が，炭素や窒素化合物ほど大き+に還元型の窒素（ NH3 ＋ NH4 ）の放出量が増加する事がくないことが挙げられる。大気中の全リンに対する発生。還元型の窒素の示唆されている（ Jickells et al., 2017 ）源とその寄与率の全球平均は，鉱物ダスト 82％，花粉や発生源としては施肥や畜産があり，人口増加に伴う食糧

胞子など生物起源粒子 12％，燃焼起源 5％と推算されて生産の増加がさらなる還元型の窒素の放出を招くことがおり，乾燥地帯から離れた場所では相対的に燃焼起源の指摘されている。これによって，インド洋への大気沈着

リンの重 要 性が 高い（ Mahowald et al., 2008; Wang et

窒素の量や地理的パターンが変化し，海洋生態系に影響

al., 2015 ）。したがって，人間活動による土地利用変化やを与える可能性がある。これは，人類が地質年代的な時

燃料燃焼は，大気中のリン化合物の量や組成を変化させ間スケールで地球環境を改変している人新世（ Anthropo-

る可能性がある。

cene; Crutzen, 2002 ）特有の課題といえる。大気沈着窒

大気エアロゾル中の全リンとリン酸態リン（ PO4 ）の濃素による一次生産は，新生産にあたるため，炭素の深層度の観測値を全球モデルによる計算値と比較した研究でへの輸送に寄与する。実際は，窒素固定や鉛直拡散に伴は，特に生物利用可能とされるリン酸態リンにおいて，

う海洋表層への栄養塩流入による新生産も考えられるの観測値の再現性が乏しいことが示されている（ Mahowald

で，複合的な大気海洋観測により，大気起源窒素の新生

et al., 2008 ）。これは，リン酸態リンの発生源の情報が十産への寄与率を評価する必要がある。

分でないことが原因の一つと考えられる。また，上記の窒素に限った問題ではないが，広範囲に定常的に影響研究で用いられたリン酸態リンの観測値のほとんどが大を及ぼす乾性沈着と比べ，局所的な降水による湿性沈着

西洋に限られており，インド洋，南大洋は観測の空白域が海洋生態系に与える影響を評価することは困難である。

となっている。

単位時間・単位面積あたりのフラックスで比較すると，夏季の北太平洋上における大気エアロゾル観測から湿性沈着フラックスは乾性沈着フラックスの 10 倍かそれは，アジア大陸に近い西部北太平洋において，太平洋中。湿性沈以上の値が報告されている（ Jung et al., 2013 ）央部に比べて優位に高い濃度のリンが報告されている

着の影響は地理的・時間的な影響が限られる可能性があ。また，同時に計測された金属元（ Furutani et al., 2010 ）るものの，降水イベント前後の海水中の栄養塩濃度変化

素をトレーサーとした解析から，人為起源のリンの寄与

や植物プランクトン応答変化を現場で観測した例は乏しは西部北太平洋では 4 割，太平洋中央部では 2 割，鉱物

く，さらなる観測の蓄積が必要である。また，海上の降ダスト起源のリンの寄与は双方の海域で 1 割以下と見積

海洋学の 10 年展望 2021：大気海洋境界203

もられており，外洋域では人為起源のリンの寄与が相対グローバルスケールで多くのモデルが開発されている的に高いことが報告されている。しかしながら，西部北。数値モデルでは，大（例えば，Mahowald et al., 2005 ）太平洋では 5 割，太平洋中央部では 7 割以上のリンの起

気エアロゾルを黄砂などの鉱物起源と人為起源エアロゾ

源が不明とされている。太平洋の外洋域において，リンルに分けて取り扱い，その溶解性の違いから（人為起源を含めたエアロゾルの化学組成のマッピングデータは未

エアロゾル鉄の溶解度は鉱物起源鉄に比べて大きい），だ不足している。今後は降水も含めて，様々な季節・海海洋の一次生産へのインパクトが定量的に評価されてい域での観測データを蓄積すること，また発生源に近い陸る（ Krishnamurthy et al., 2009; Hamilton et al., 2020; Ito

域におけるモニタリング体制を構築することが，大気かet al., 2020 ）。近年では人為燃焼起源あるいは森林火災ならのリン沈着の一次生産に与える影響を評価する上で必ど自然燃焼起源鉄について研究が進み，鉄同位体の観測須である。

結果より洋上大気や海洋表層に人為燃焼起源鉄が供給さ

2.3. 鉄れ て い る こ と が 確 認 さ れ（ Kurisu et al., 2016; Pine-

do-González et al., 2020 ），燃焼起源鉄を組み込んだモデ

過去 30 年間の海洋学における最も重要なブレークス。しかし，大気かルも開発されている（ Ito et al., 2019 ）ルーの一つは，鉄が微量栄養素として生物生産を制御す

らのインプットについては，モデルで計算された値に対るという発見であり，海洋学における鉄の重要性の理解して，観測から得られる検証データが不足しており，モは定着した。自然界における鉄の供給過程や生物地球化

デルを観測から検証した例は稀である（ Mahowald et al.,

学的循環に関する研究もこの 20 年で大きく進展したが，2018; Ito et al., 2021 ）。さらに，大気由来鉄沈着モデルと生物生産を制御する鉄の供給過程については未だ課題も海洋内部の鉄循環を数値モデルに組み込んで，海洋中の多く，定量的な理解を目指した議論が必要な状況である。

鉄濃度分布や循環を再現する点では，鉄インプット量や中でも大気からの鉄の供給過程の定量的な把握は，古く滞留時間がモデル間で全く異なるなど，未だ検討課題がから取り組まれている研究であるが，今でも重要な課題。
多く残っている（ Tagliabue et al., 2016 ）が残っている。

一方で，近年になって飛躍的に進展した衛星観測や精海洋内の鉄の正確な濃度測定が可能となる以前から，力的な船舶観測によって，実際に西部北太平洋で起こっ大気からの鉄の供給過程の研究は先行して進められてきている生物生産活動の規模・大きさ・季節性（フェノロ

た。1970 年代後半には，大気エアロゾルの海洋への影響

ジー）などが明らかになってきた。これらの生物生産活を把握するために，国際大型研究プロジェクトが実施さ動の起こる海域やフェノロジーを踏まえて，大気ダスト。1980
れている（ SEAREX プロジェクト ; Duce, 1989 ）と生物生産イベントのマッチングを精査した結果，過去年代から 2000 年代中頃に至るまでは，西部北太平洋のに報告された生物生産の大部分は大気由来の鉄供給過程

生物生産を生み出す鉄は黄砂など鉱物ダスト由来のもの

で は 説 明 で き な い と も 指 摘 さ れ て い る（ Boyd et al.,

，現が重要と考えられてきており（ Uematsu et al., 1983 ）2010 ）。また，2000 年代以降，世界の約 35 カ国からの研在も引き続いて研究が進められている。これまでに北太究者が参画して，海洋における微量元素・同位体の分布

平洋の研究で，洋上で鉱物ダスト由来の鉄が海洋表面のおよびその 循 環 機 構を調 べる国 際 共同プロジェクト

濃度を高めたことを観測した例（ Iwamoto et al., 2011 ）GEOTRACES（ https://www.geotraces.org/ ）が 展 開 さや，鉱物ダストが西部亜寒帯域にどれだけ鉄を沈着させれたことで，海水中の鉄の分析技術の進展と相互比較研

るのかを，観測とモデルを使って見積もった例（ Uemat-

究が飛躍的に進み，海盆スケールで海水中の鉄の分布がsu et al., 2003 ）が報告されている。さらに，アジア起源。これら海洋内明らかになりつつある（ Anderson, 2020 ）の鉱物ダストや火山起源の鉄がアラスカ湾に沈着し，生部の鉄の分布や循環に関する知見の蓄積により，外洋の物生産を高めたことなどが報告されてきた（ Bishop et

海盆スケールでは生物生産を制御する海洋循環による鉄al., 2002; Hamme et al., 2010 ）。大気起源の鉄供給につや栄養塩供給のプロセスが半定量的に把握されるようにいては，数値モデルによる研究展開も早くから進められ，。
なってきた（ Schlitzer et al., 2018; Misumi et al., 2021 ）204

岩本・相木・磯口・大林・近藤 文義・近藤 能子・西岡しかし，海洋観測で得られる鉄分布のデータについては
未だスナップショット的な観測が大部分であることに加え，供給された鉄の海水中での溶解度を制御すると考え

3. 海表面マイクロレイヤー（ SML ）られている有機配位子については，大気からの供給量と海洋の最表層には，界面活性のある有機物などが濃縮

海洋内部での挙動双方において未解明な点が多いことかした SML が形成される。SML の厚みは，その調査方法

ら，海洋循環を経由した鉄供給の定量的な見積もりにもにも依存するが，概ね 1 mm 以下と考えられている。自課題は多い。

然環境下での SML の厚みは風速に依存し，風が強いとこのような状況に鑑み，今後は，大気由来鉄の供給と薄くなる。風波によって SML が物理的に壊されること

海洋循環による鉄の供給の両方の知見を統合し，衛星観があるが，壊れても数分で再び形成されるとみられてい測や船舶観測で把握されている海洋における様々な時空。海面付近の風が弱い状態が続る（ Cunliﬀe et al., 2013 ）間スケールの生物生産活動（例えば，HNLC 海域におけくと安定した SML が発達し，見た目にものっぺりとしたる季節変動を伴う生産，鉱物ダスト供給などのイベント

状態の水面（ slick ）が形成されることがある。slick が形

により誘引された突発的な生産，亜熱帯域の窒素固定生成されている状態では，slick がない場合に比べて SML

物応答，など）を，統一的に説明できるよう，大気―海の特異性（下層の水との違い）が増すこと，大気海洋間の洋鉄供給システムの統合的理解を目指す必要がある。そ気体交換が抑制されることなどが報告されている。例えのためには，大気由来の鉄供給システムを構築するモデ

ば大気海洋間の CO2 フラックスは，slick が存在すること

ル研究者は，海洋観測研究側の結果から見えてきた最新で最大 15 ％減少すると見積もられている（ Wurl et al.,の知識を組み込む必要があり，逆に海洋内部の鉄循環モ

2016 ）。この節では，下層の水と比べた SML の特異性，デルを構築するモデル研究者は，最新の大気エアロゾル

海洋から大気への物質の出口としての SML，大気から海研究から示されるようになった知識を組み込む必要があ

洋への物質の入口としての SML という三つの視点（ Fig.

るだろう。また，前述の SOLAS や GEOTRACES など2 ）から，最近の知見とさらなる理解のための展望についで進められている国際プロジェクトで得られた知見を統て論じる。気体交換については 4 節で述べる。

合するための議論が重要な鍵となってくる。その中でモデルと観測を融合した大気からの鉄供給の定量的な見積

3.1. SML の特異性：有機物と微生物を中心にもりは依然として重要な課題である。大気経由鉄のモデ

SML には，粒子態・溶存態の有機物，微生物，栄養塩，

ルの高度化のためには，天然鉱物由来の鉄，人為起源エ

微量金属元素などが下層の水に比べて濃縮している場合

アロゾル鉄，燃焼起源鉄のそれぞれを対象として，輸送。SML への物質や生物の濃縮が多い（ Wurl et al., 2017 ）

規模，頻度，沈着量，沈着エリア，表層水中の滞留時

度合いについては，実際に SML の水とその下層の水を間，溶解度および溶解速度などを把握する必要がある。

採取して各物質の濃度を測定し，その比をとることで，また，供給された鉄の生物生産への寄与を理解するため

下層の水に対する SML への濃縮係数（ Enrichment fac-には，海洋表層に存在する植物プランクトン群集にとっtor ）として表現される。SML サンプルの採取には，メンて利用（細胞内への取り込みが）可能な鉄の化学形態の

ブレン，メッシュスクリーン，ガラスプレート，回転ド把握も必要になる。これらを実現するために，鉄や人為。
ラムなどが用いられている（ Cunliﬀe and Wurl, 2014 ）起源トレーサーとなり得る亜鉛などを含めた微量金属元

サンプリング方法によって採取される水の厚さや採取さ素の濃度や同位体観測（ Conway and John, 2014; Kurisu

れやすい・されにくい物質が異なり，また比較対象とすet al., 2016; Liao et al., 2020 ），湿性沈着と乾性沈着の新，鉄の化学形たな評価方法の開発（ Kadko et al., 2020 ）る下層の水の採取方法や採取深度（多くの研究で 0.1 〜

態を考慮した観測から検証した鉄循環モデルの精緻化等

究で見積もられた濃縮係数の比較には注意が必要であるを根気よく進めていく必要がある。

が，SML への物質の濃縮という点では，ある程度共通理

1 m 程度）も研究者により一様ではないため，異なる研解が得られている。例えば，有機物の SML への濃縮は

海洋学の 10 年展望 2021：大気海洋境界205

溶存有機物でも粒子態有機物でも見られるが，溶存態よ2013 ）。一方で，放射性同位体ラベルしたチミジンやロりも粒子態（ゲル状を含む）でより顕著であることが認識

イシンの取り込みで測定される細菌生産速度は，SML の。SML に存在する物質のされている（ Stolle et al., 2010 ）

ほうが下層の水よりも小さいとの報告もある（ Stolle et

量や質は下層に届く光の強さや波長特性にも影響する

al., 2009 ）。これは，海表面での光ストレスにより，生産。藻類や細菌などの産生する多糖（ Stramski et al., 2019 ）

速度が抑えられているためかもしれない。今後，微生物類を中心とした細胞外ポリマー粒子（ Transparent exo-の存在量だけでなく，その代謝活性や生物間相互作用等

polymer particles; TEP ）は，その粘着性などから界面にも含めた観測を広範な海洋の SML で実施し，データを集積しやすいと考えられている。TEP およびいわゆる粒蓄積することが望まれる。

子態有機炭素（ POC ）の SML への濃縮は多くの研究でSML 内の微生物群集は，基本的には下層の海水の群報告されている（例えば，Cunliﬀe et al., 2009; Robinson，粒
集組成に基づくものであるが（ Zäncker et al., 2018 ）et al., 2019a ）。slick のある状態での SML では特に濃縮子に付着している付着性細菌群集で下層との違いが表れ

係数が大きく，TEP，POC ともに下層の水の数倍から数。slick を伴う発達した SML
やすい（ Stolle et al., 2011 ）。お風呂の水十倍になる場合もある（ Wurl et al., 2016 ）では付着性に関わらず従属栄養細菌の群集構造に下層の面に垢が浮くようなイメージだろうか。溶存有機物では，

水との顕著な違いがみられることもある（ Wurl et al.,

SML へ の 濃 縮 係 数 は 有 機 炭 素（ DOC ）よりも 全 窒 素

2016; Parks et al., 2020 ）。最近では特定の機能を持つ微（ TN ）のほうが大きい傾向があり，特に含窒有機分子

生物や遺伝子の量およびその発現解析も行われるように（アミノ酸やアミン類）は SML への濃縮が大きく，一方，なり，大気由来の人為起源有機物を分解する機能を持つ

炭水化物のなかには SML と下層の水とであまり濃度が細 菌 群 が SML に 多 い こ と や（ Martinez-Varela et al.,

違わないものもあることが報告されている（ van Pinx-

2020 ），SML 中に下層の水とは異なる独特なアンモニア

teren et al., 2012 ）。溶存態の含窒有機分子は水中の従属酸 化 古 細 菌 群 集 が 存 在している可 能 性（ Wong et al.,

栄養細菌にとって恰好の栄養源である。

2018 ）などが示されている。また，SML では硫化ジメチ

SML 試料は大量に採取することができないため，有機ル（ DMS ）の前駆体である DMSP（ Dimethylsulfoniopro-

物の分子レベルの分析においては分析可能な化合物が限pionate ）を産生する細菌が下層の水よりも多く存在し，られるという難しさがある。分析に際し脱塩の必要のな

DMSP 産生に関わる機能遺伝子の量およびその発現が有

い脂溶性有機物について，近年，SML と下層の海水での。DMS およ
意に高いとの報告もある（ Sun et al., 2020 ）網羅的な分析により，SML に濃縮される化合物種の特定

び DMSP は後述する雲核形成や CLAW 仮説でも注目さ。SML に濃縮が試みられている（ Zabalegui et al., 2020 ），大気海洋境界面であれており（ Charlson et al., 1987 ）

されている分子種の把握は，海洋からのエアロゾル生成

る SML において DMSP 産生が盛んであるとの報告は興や大気海洋ガス交換の実態を知るためのカギとなる分子味深い。他にも，SML 中の有機物の光酸化による一酸化種の同定や，それを用いた実験・観測の発展に繋げられ炭素（ CO ）生成速度と SML 中の細菌による CO 酸化（消る可能性がある。

費）速度，それらの温暖化影響を見積もった研究例もあSML 中では従属栄養細菌の現存量も下層の水に比べ，SML の機能と気候変動との関わり（ Sugai et al., 2020 ）。
てやや多いことが報告されている（ Stolle et al., 2010 ）りに興味がもたれる。今後，SML 研究においても分子生

また，測定事例が従属栄養細菌ほど多くなく，結果にば

物学的手法を広く適用し，大気海洋間のガス交換や物質

らつきもあるが，細菌の捕食者である従属栄養性ナノ鞭循環に関わる重要な機能に関する遺伝子やそれを保有す

毛虫（ HNF ）も SML に多いとの報 告もある（ Sugai etる微生物をターゲットとした研究を進展させることで，

al., 2018 ）。特にサンゴ礁リーフ上の SML では細菌もSML 中の生物機能による物質動態メカニズムの解明や大HNF も濃縮係数が大きく，生物由来の新鮮な有機物が気海洋間での物質フラックスの定量化に寄与していくこ

SML に濃縮し，それに支えられた活発な微生物食物網がと，さらには，これらを含めた大気海洋間物質循環モデ形成されている可能性が示されている（ Nakajima et al.,ルの構築・気候への影響のモデル化などへと繋げていく206

岩本・相木・磯口・大林・近藤 文義・近藤 能子・西岡ことが期待される。

3.2. バブリングの効果と海洋から大気への出口としてのSML

水よりも多いことや（ Bureekul et al., 2014 ），SML 中の粒子態金属元素量が大気エアロゾル沈着イベントに連動して変化することが報告されている（ Ebling and Land-ing, 2017 ）。このことは，大気から海洋へ沈着した粒子態

海水中の有機物などが SML へ濃縮するメカニズムにの栄養物質が，速やかに SML を通過して下層の水へ移ついて完全には明らかになっていないが，水中で生じた行していくわけではなく，ある程度の時間，SML 中に滞泡は，生物粒子や有機物を泡の壁面に付着させながら浮留すること，その間に SML 中で物理化学的・生物化学

上し，水面ではじけることで SML に TEP や POC を運的変質を受けることを示唆する。海洋側から見ると SML

ぶ効果をもつことが，メソコズム（模擬生態系）でのバブは大気から供給された物質が海洋内部へ入る際の壁でもリング実験とモデルの両方から示されている（ Walls andある。また，大気から海洋へ沈着する粒子態の金属元素

Bird, 2017; Robinson et al., 2019b ）。また，バブリングはの SML 滞留時間が元素によって異なることも報告され

溶存有機物を凝集により粒子態化させることもある。特ている。例えば鉄では数分なのに対して銅では数時間以に植物プランクトンブルーム後期など，死滅期の植物プ，元素に上と見積もられ（ Tovar-Sánchez et al., 2020 ）ランクトン細胞に由来する多糖類などの細胞外高分子有よる違いが 100 倍以上ある。元素により SML での滞留機物が多い時に，その効果が顕著になることが報告され時間が異なることは，大気エアロゾルの粒子としての物。こうしてできた TEP のよている（ Wada et al., 2020 ）理的な挙動だけでなく，SML 内の有機物との相互作用にうな凝集体粒子も SML に集積すると見込まれる。実際，

よる錯体形成などといった各元素の化学的挙動や（ Kara-

植物プランクトンブルーム時に TEP の SML への濃縮係

voltsos et al., 2015 ），SML 内での生物や光による変質も，数がより大きくなることも観測されている（ Sugai et al.,

大気から沈着する微量元素の海洋生態系への影響の制御

2018 ）。

要因となっていることを示唆している。海洋表層の植物

水面で泡がはじけるときや波飛沫によって，SML の一

プランクトンにとっては，SML は大気から供給される栄部が壊れて，5 節で述べる Sea spray aerosol（ SSA ）の養物質を利用しやすい反面，強い紫外線にさらされて光“ もと ” となる。つまり，海洋表面から大気中へ飛び出

ストレスによるダメージを受けやすい環境であるだろう。

す SSA には SML に濃縮していた有機物や微生物が直接SML において何が一次生産の制限要因となるかは環境条含まれることになる。実際に SSA には海水由来とみられ，多様
件により異なると考えられ（ Mustaﬀa et al., 2020 ）る高分子有機物や微生物が含まれており（ Aller et al.,な海域での実態把握が必要である。

2017 ），エアロゾル内部でも微生物による有機物分解活。ま性があることが示されている（ Malfatti et al., 2019 ）3.4. SML のさらなる理解に向けてた，炭素安定同位体比や植物色素組成比からも表層海水

このように，SML が大気海洋間の物質循環においてさや SML と SSA の関係が論じられている（ Crocker et al.,

まざまな面で重要な場であることは疑う余地がない。ま2020; Miyazaki et al., 2020 ）。海洋から大気へと出る物質

た，大気海洋の接する場として，大気中の CO2 濃度の上やその動態を知るうえでも SML 中の化学・生物学的情昇に伴う海洋酸性化や，大気経由の人為起源物質の負荷

報が欠かせない。

などの影響が最も早く出る場所とも想定される（ Galgani

3.3. 大気から海洋への入口としての SML

et al., 2014; Martinez-Varela et al., 2020 ）。SML の実態と SML で起こるプロセスおよび各種フラックスやそれら

SML は大気から海洋へ供給される物質の入口でもあの変化を多方面から把握するためには物理・化学・生物る。2 節で述べたとおり，大気経由の微量金属元素や栄をあわせた観測・解析が必須であるが，SML に関する手養塩の供給は海洋生態系における生物群集組成やその生法的な難しさもあって，まだ充分とは言えない。上述し産力を左右するファクタともなり得る。SML には大気か

たとおり，SML サンプルの採取にはこれまでいくつかのらの降下物由来と考えられる粒子態のリンや鉄が下層の。
異なる方法が用いられている（ Cunliﬀe and Wurl, 2014 ）海洋学の 10 年展望 2021：大気海洋境界207

採取法による違いの検討はこれまでにもある程度行われ解に使われるようなマイクロセンサー（ Beyenal and Ba-てきたが，現在のところ SML サンプル採取方法の標準

bauta, 2014 ）を SML にも適用し，SML サンプルの採取化には至っていない。SML の実態と環境変化に対するそと合わせて物理・化学・生物を統合した解析を行うことの応答の理解のためには，様々な環境条件での SML にができれば，SML の実態やその動態の解明に有効かもし関するデータを系統立てて蓄積していく必要がある。それない。

のためには SML サンプル採取方法が標準化されること

沿岸では，藻類などに由来する有機物が豊富で粘性のが望ましい。扱いやすく再現性の良い採取法の開発（あ高い海水が強い風によって泡立てられ，この泡が波打ち

るいは改良）により標準化されることが望まれる。また，際の岩場などの海岸や海面に大量に集まることがある。

現状の採取法についてもそれぞれの特性を明確にしたう

このような泡は「波の花」と呼ばれ，冬の日本海沿岸な

えで，異なる採取法で得られたデータでも互換性を持っ

どでは風物詩ともなっている。波の花は，海岸付近に打て解析・議論できるようにする必要がある。

ち付けられる波の作用などで海表面が撹拌されて空気をドイツの研究グループは，複数のガラスディスクを縦含み界面活性物質が泡状になることでできると考えられ，にしてその一部が水面下に入るようにして回転させるこ

いわば SML の一つの形と捉えることができる。また，風

とでガラスディスクに付いてくる SML 海水を連続的にで吹き飛んだ「波の花」の泡は破裂して，SSA と同様の採取しながら，並行して水深 1 m の下層の海水もポンプ

海水起源エアロゾルが生成されるだろう。波の花は，大で連続的に汲み上げるシステムを開発している（ Sea

量に発生すると岸から比較的容易に採取することができ

Surface Scanner, Ribas-Ribas et al., 2017 ）。SML と水深る。波の花サンプルを採取し化学・生物学的な分析を行

1 m 海水のそれぞれの連続サンプルを汲み上げた流路にうことも，SML の実態把握や大気海洋間の物質動態の解塩分，pH，溶存酸素，FDOM（蛍光性溶存有機物）など

析に有効なアプローチの一つである。

の各種センサーを取り付けてモニタリングし，風速や日射などの気象条件と合わせて時間的に高分解能の連続観測データを取得することに成功している（ Mustaﬀa et al.,4. 気体交換

2017, 2018 ）。このような連続サンプルを用いて，気象条

大気海洋間の気体交換，中でも CO2 の交換を理解する

件と SML の動態の解析や FDOM の SML への濃縮機構

ことは，温暖化の現状理解，さらには精緻な将来予測にの解明が試みられているが，系統的なデータや解析はま不可欠である。CO2 交換量の見積りには，大気と海洋表

だ限定的である。地球表面の 7 割が海洋表面であること

層間の CO2 の濃度差（分圧差と溶解度の積）と気体交換を考えれば，SML の実態やその動態に関するデータの蓄速度（輸送速度）の積によって推定することのできる 2 層

積と SML で起こる物理・化学・生物プロセスの把握は，

薄 膜モデ ルを理 論とするバルク法 が 用いられている

気候変動モデルや物質循環モデルにおいても重要な要素。
（ Liss and Slater, 1974 ）のはずである。今後，世界のさまざまな海域，様々な環
境条件において気象海象条件と合わせた SML の連続観

4.1. 大気と海洋表層間の CO2 の濃度差測が実施され，SML に関する継続的なデータの蓄積・解CO2 の濃度差は，大気と海洋間の CO2 の吸収・放出の析と SML で起こる諸プロセスの定量的評価・モデル化

地理的な分布を決め，その変動の主な要因は年変動や季が進むことが望まれる。特に日本近海や太平洋について

節変動が非常に大きい海洋表層の CO2 濃度にある（ Taka-

は，日本から貢献していきたい。

hashi et al., 2002 ）。全海洋の CO2 濃度の観測値を収集しSML の海水を採取して各種分析を行うのみでなく，現ている SOCAT には，1957 〜 2020 年までの約 2,820 万個場で海表面から深さ数 mm 程度までの断面を直接測定でのデータが蓄積されている。データ数に着目すれば膨大きる高分解能のマイクロセンサーでいくつかの項目を頻な数ではあるが，観測データのある年や季節に，さらに繁に測定できれば，SML のリアルな構造やその動態の理は地域的な偏りもあり，時空間的な観測密度は未だ不足

解がさらに進む可能性がある。バイオフィルムの構造理。また観測プラット
している（ Takahashi et al., 2009 ）208

岩本・相木・磯口・大林・近藤 文義・近藤 能子・西岡

フォームには海洋観測船や民間船舶を活用した VOS が。渦相関法はも試みられている（ Jones and Smith, 1977 ），最近では係留（または漂流）あり（ Murphy et al., 2001 ）大気と陸上間の標準的な CO2 交換量の評価法であり（ Bal-

ブイや自動航行するグライダーによる CO2 観測も試みら

docchi, 2003 ），またバルク法で大気と海洋間の運動量や，様々なプラットフォームをれており（ Gac et al., 2020 ）

熱の交換量を見積もるための COARE アルゴリズムのバ用いて南太平洋や南大西洋，インド洋といった，いわゆ。
ルク係数の評価に用いられてきた（ Fairall et al., 2003 ）る観測空白域の時空間的な分布を埋める努力がなされてしかし，大気と海洋間の CO2 交換量は大気と陸上間と比いる。また海洋表層の CO2 濃度の観測データの無い時期

べて極めて小さいため，渦相関法を気体交換の評価法とや海域を補完する方法として，水温や塩分，クロロフィして確立するためには克服すべき課題がある。この課題

ル a 濃度などの海洋表層の CO2 濃度の変動を引き起こすは大気と海洋間のみならず大気と雪氷間や，年間の炭素要因を海域毎に異なる重み付けをした変数とし，海洋表収支量を評価する場合には大気と陸上間においてもみら層の CO2 濃度を経験的に推定する取り組みも近年多くな，空気密度変動補正のれ（ Butterworth and Else, 2018 ），全海洋におされており（例えば，Nakaoka et al., 2013 ），また大気中の緻密化（ Kondo and Tsukamoto, 2012 ）

ける精確な海洋表層の CO2 濃度の時空間分布を推定する

CO2 の乱流変動を計測するガス分析計の水蒸気干渉の正手法の確立が観測データの蓄積とともに望まれる。

確な評価もしくは干渉影響を取り除く手法の検討の必要。これらの課性が示唆されている（ Nilsson et al., 2018 ）4.2. 気体交換速度

題はあるものの渦相関法は，CO2 のみならず，雲形成や気体交換速度は，気体交換係数と高度 10 m の風速値

粒子の成長に寄与する短寿命気体の DMS（ Blomquist etの関数の積で表されている。気体交換速度と風速は，室al., 2006 ）や，極域において大きな放出量が報告されて，内実験では比例関係にあるが（ Liss and Merlivat, 1986 ）いるメタンなどの気体交換量の直接評価手法として応用

実際の海上では風速の 2 乗や 3 乗に比例する関係を示す

されることが期待される。

観 測 結 果 が 報 告 さ れ て いる（ Wanninkhof, 1992; Wan-

ninkhof et al., 2009 ）。この違いは，気体交換速度が風速

4.3. 気体交換のよりよい理解のためにだけでは無く，うねりや砕波などの海面の状態にも影響

また全球スケールのみならず，海域ごとの CO2 交換量を受けており，それらの影響を風速の一義的な影響としの評価も喫緊に解決すべき課題である。例えば温暖化にて示した結果と考えられる。これまで気体交換速度は，よる海氷融解が顕著な北極海では，融解による海水の希14

核実験前の天然または実験後の人工の放射性炭素（ C ）釈と気体交換による大気からの CO2 吸収によって急速に

14

，北極海
酸性化が進行しており（川合ら，2021, 本特集）の海洋の分布から推定する C 法（ Broecker and Peng,

1974 ），海洋中のラジウム（

226

Ra ）のα崩壊によって生成の鉛直分布から推定する

222の生態系を将来予測する上でも CO2 吸収量の正確な見積

Rn ）

。また海洋
もりが不可欠である（ Yasunaka et al., 2018 ）Rn 法（ Peng et al., 1979 ），生態系に吸収され固定される炭素の貯蔵庫（いわゆるブされる海洋起源の天然放射性核種であるラドン（
222

3

六フッ化硫黄（ SF6 ）とヘリウム（ He ）を人為的に海洋
3ルーカーボン）として着目されている沿岸域は，海洋生に注入して各濃度や濃度比の分布から推定する He/SF6

物活動のみならず陸域からの物質流入，都市化等の影響法（ Watson et al., 1991 ）といった mass balance（物質収により広域的な CO2 濃度分布推定が難しい領域であり支）法により見積もられてきた。これらによる輸送速度，風速データセットにも大きな不確（ Kuwae et al., 2016 ）の評価時間は数日から年スケールである。この時間ス

実性が存在することから，海洋観測と渦相関法による大ケールの違いにより気体交換係数が変わること，また風気観測の両面からのアプローチが引き続き求められてい速以外の気体交換に影響を及ぼす要因と気体交換速度とる。

の関係を定量的に明らかにできる可能性への期待から，1

また，バルク法で大気海洋間の気体交換量の推定誤差

時間程度の短い時間スケールで気体交換量を評価できる

SML（ 3 節）を引き起こす要因として取り組むべき課題に，

渦相関法をはじめとする微気象学的手法による直接観測。SML の CO2 濃度はが挙げられる（ Wurl et al., 2017 ）海洋学の 10 年展望 2021：大気海洋境界209

水深数 m の表層海水中とは異なる可能性があり，表層海たりすることで，気候を調節する。海洋性エアロゾルの

水中の CO2 濃度を用いて大気海洋間の気体交換量を算出

生成量や組成は，波浪などの物理プロセスと海洋生態系するバルク法では評価誤差が生じている可能性がある。

。
の動態に依存する（ Fig. 2 ）また SML は海面付近の乱流を抑制するなど気体交換速度に直接かかわることが指摘されており，大気海洋境界における生物地球化学的な影響のみならず物理的な影響

5.1. DMS を起源とする粒子
いわゆる「磯臭い匂い」の元である海洋藻類起源のについても明らかにしていくべきである。SML が弱風時

DMS は，大気海洋間のガス交換により大気へと放出されにおける気体交換に影響を与える一方で，白波や気泡がた後，酸化されて硫黄含有エアロゾルを生成し CCN と生じる強風時の気体交換過程に関する理解も十分とは言なり得る。1987 年に発表された CLAW 仮説は，DMS がえない。気体交換速度の大きい強風下では現場観測が困

アルベドの変化を通して地球の温度調節に関わってきた難であるため風洞水槽による室内実験や数値モデルでの。CLAW 仮説
可能性を提唱した（ Charlson et al., 1987 ）取り組みがなされてきたが，今後は現場観測データに基以降，DMS に関わる生物地球化学分野の研究は現在まづく定量性をもった評価が求められる。熱帯における現でに精力的に行われ，多くの知見が蓄積されてきた。

場観測データに基づいた COARE アルゴリズムは，熱や

例えば，大気中でガスが凝縮・酸化してエアロゾル粒

運動量の交換量モデルとして広く適用されており，放射子になる過程は，既存粒子の少ない環境で起こりやすいや降雨といった交換量に及ぼす物理量を緻密にパラメーため，海塩粒子が豊富に存在する大気境界層（海面からタ化し，低緯度から高緯度また弱風から強風まで対応で概ね上空 1 km まで）内においては，DMS などのガスのきるモデルとなるように検討されてきた（ Fairall et al.,

凝縮・酸化によるエアロゾル粒子生成は極めて稀である

2003 ）。一方で気体交換量については，室内実験からモ。海洋大気中には，DMS の酸化生
（ Covert et al., 1996 ）デルへ組み込むべきパラメータを明らかにしてきたが，成物であるメタンスルフォン酸（ Methane sulfonic acid;

現場で定量的な理解に至るために必要な観測データが質

MSA ）によって変質した海塩粒子の存在が確認されておと量ともに十分とは言い難い。2020 年秋に SCOR は，新，海 塩 粒 子 との 相 互 作 用 はり（ Yoshizue et al., 2019 ）し い 作 業 部 会 と し て OASIS を 立 ち 上 げ た（ https://DMS 起源物質の海洋大気中での寿命を決める要因の一

airseaobs.org/ ）。その目標の一つは，熱，水蒸気，運動

つと言える。また，数値モデルを用いた研究では，DMS

量，温室効果気体，生物起源の微量気体，及びこれらのの気候調節効果は CLAW 仮説として当初述べられたほ

大気海洋気体交換の全球分布に焦点をあて，関連する境

どには大きく無いことが報告されている（ Carslaw et al.,

界層変数の重複を特定し，順位付けし，明らかな矛盾を2010; Woodhouse et al., 2010 ）。一方で，DMS を前駆気解決することで，OceanObsʼ19 からの提言に応えること体とする粒子生成は，対流性の雲によって DMS が既存。これらの国際的な動向もである（ Cronin et al., 2019 ）粒子の少ない自由対流圏（概ね上空 1 km から対流圏界面

踏まえ今後は，様々な海域における品質の高い観測デー

まで）に輸送された後に雲の流出域で起こりやすく，生タを充実させるために，観測機会の拡充と観測手法の標成した粒子が大気境界層内に取り込まれる過程が対流圏準化を SML や波浪の影響も加味して進めていくことをにおける雲形成に重要であると指摘されてきた（ Clarke。
期待する（ Fig. 2 ）et al., 1998 ）。最近の大規模な航空機観測によっても，自由対流圏における持続的な粒子生成や新たに生成された

5. エアロゾル生成

粒子の大気境界層への取り込みが確かめられている。しかし，観測された粒子数濃度を数値モデルで再現するに地球表面の約 7 割を占める海洋は大気エアロゾルの重は，DMS 以外の前駆気体の寄与や，雲過程によるエア

要な発生源である。大気エアロゾル粒子は太陽光を直接ロゾル粒子の除去効率の解明が必要である（ Williamson

散乱したり，雲凝結核（ CCN ）または氷晶核粒子といっet al., 2019 ）。人工衛星では生成して間もない微小なエアた雲粒子の核として働き雲の放射特性や寿命を変化させロゾル粒子（粒径＜100 nm ）を観測することは困難であ210

岩本・相木・磯口・大林・近藤 文義・近藤 能子・西岡

るため，自由対流圏における粒子生成が地球規模でどれ

域・季節毎に海洋と大気の同時計測を行うことが必要でくらい起きているか，それらが大気境界層内への雲形成ある。近年では，大型水槽を用いたメソコズム実験としにどの程度寄与するかについてはさらなる研究が必要でて，人工的に波浪を再現し自然により近い状況で SSA をある。特に，エアロゾルをはじめとする大気微量成分の，生成する研究も推進されており（ Prather et al., 2013 ）特性については，水平分布に比べ鉛直分布に関する知見

室内実験と現場をつなぐ研究として注目されている。まが圧倒的に少ない。鉛直的な観測データの充実には，ゾ

た，SSA の気候影響を地球規模で理解するために，CCN

ンデや係留気球，ドローンなどを用いた海洋大気の鉛直として機能する SSA の数濃度を海洋生物活動の指標であ

構造，海洋大気中の物質の鉛直分布を計測する装置の開

り衛星観測で全球データが得やすいクロロフィル a と関

発や観測機会の充実が必要である。

連づける試みがなされてきたが，良好な関係は見出せて

5.2. 海水飛沫粒子

おらず，クロロフィル a に代わる指標を引き続き模索し。マクロスケーていく必要がある（ Sellegri et al., 2021 ）2000 年 代 以 降， 海 洋 大 気 中 の 雲 粒 子 の 核 と し て，

ルの観測・実験を推進する一方で，エアロゾル粒子のDMS 起源の生成物に代わり，白波砕波により生成する

CCN 能や氷晶核能を決定する粒子の熱力学的なふるまい

海洋性エアロゾルの役割が注目されてきた（ Quinn andが，SSA に含まれる有機物の量や種類によってどのようBates, 2011 ）。海面上に生じた気泡の破裂により，海水に変化するかという，マイクロスケールの物理化学的現成分が大気へと輸送され，SSA として浮遊する。SSA の象についても突き詰める必要があるだろう。

生成は風速とともに増加し，SSA フラックスやその粒径
分布は，経験的に海抜 10 m の風速の関数（ Sea spraysource function; S3F ）として表される。粒径分布は SSAの気候影響を評価する上で重要な因子であり，例えば，

6. 波浪に関わるプロセス : 砕波，台風などの
極端現象

ミー散乱による太陽光の光散乱強度には粒径依存性があ

運動量や熱などさまざまな物理量の海面フラックスは，る。また，エアロゾル粒子が CCN として働くとき，曲率

主に海上風速と海面水温と深く関係している。全球の海効果（ケルビン効果）により粒径が大きいほど CCN とし

上風速と海面水温の分布は現在，複数の極軌道衛星によて活性化しやすい。Source function は文献によるばらつる観測を統合して海洋上 1/4 度の格子点毎に 1 日に 1 回，この不確実性を低減させるた
きが大きく（猿渡，2020 ）程度の頻度で見積もられ，日々の天気予報モデルの同化

めには，波飛沫の数濃度や粒子フラックスを計測する新。大気
データや境界値として使われている（岡本，2016 ）たな観測手法や，白波被覆率のような風速以外の新規パモデル分野では全球再解析プロダクトの構築や領域アン

ラメータの導入が不可欠である。

サンブルモデルによる予報技術の開発が進み，例えば気3 節で述べたとおり，SSA には無機の海水成分だけで象庁による 55 年間分（ 1958 年から 3 時間ごと）の再解析

なく有機物が含まれる。海水中の有機物は，個々の粒子

風速場は海洋大循環モデルを長期積分する際の外力としの CCN 能を決める吸湿性や表面張力に影響を及ぼすだ。物て国際的によく使われている（ Tsujino et al., 2018 ）

けでなく，気泡のでき方を変えることで SSA の生成フ

理 量 全 般の大 気 海 洋間フラックスの計 算においては

ラックス，粒径分布を変化させる。SSA に含まれる有機

Large and Yeager（ 2009 ）や COARE のアルゴリズムが，物の量や種類を把握するために，これまでに室内（例え海洋大循環モデルや一般的な解析でよく使われる。台風

ば，Fuentes et al., 2011 ）や現場（例えば，Bates et al.,

条件下におけるフラックス計算のアルゴリズムについて

2012 ）における SSA 生成実験が実施されており，SSA には後述する。全球大気再解析の水平解像度は 1 度程度で含まれる有機物として，吸湿性の低い炭化水素やコロイあるため，台風通過時の海上風速を得るには代わりに領ド状のものの寄与が大きいことがわかってきた。しかし

域大気予測モデルの結果などを用いる。下記に説明するながら，SSA に含まれる有機物と藻類・微生物の種や成通り，これまで強風下あるいは海面波浪の伝播方向と風長段階との関連については未だ不明な点が多いため，海向がずれる場合について詳細な研究が行われてきた。波

海洋学の 10 年展望 2021：大気海洋境界211

浪は SML の安定性，気体交換の効率，そしてエアロゾ

測されている。SFMR の海上風は，同時観測が行われて。今後は白波被覆率など
ルの生成率に寄与する（ Fig. 2 ）いるドロップゾンデにより，校正・検証が行われ，10 〜

海上風速以外の物理量，大気境界層中のエアロゾルの鉛

60 m/s の風速レンジで RMSE が 3.3 m/s であると報告さ

直プロファイル，海洋有光層中の塩分や生態系関連パラれており，衛星データによる高風速域での海上風検出にメータの鉛直プロファイルにも着目し，大気海洋相互作

対する校正・検証データとして利用が可能である。実際，用の生物地球化学的側面の理解にも繋げていくことが期

C-band SAR では，SFMR との比較により，75 m/s 程度。
待される（ de Leeuw et al., 2011 ）の風速まで感度があることが確認され（ Mouche et al.,

本節に関連する地球観測衛星とセンサーは Table 1 の2019 ），台風・ハリケーンの海上風推定が定常的に行わとおりである。これまで海面過程の観測変数として，風れ て い る。 日 本 に お い て も，JAXA が 運 用 し て い る

速と海面水温に続いて利用頻度が高かった物理量が，波L-band SAR（ ALOS-2 衛星 /PALSAR-2 センサー）によ

浪の有義波高や代表的周期であった。衛星の軌道直下にる台風の風速推定の検討が始まっている。SFMR の計測

限っては海面高度計を用いて有義波高の観測ができるの値との比較で，現状，風速 55 m/s 程度までの対応関係

で，波浪モデルとの比較研究がなされている（ Ichikawaが確認されている。L-band は C-band に対して波長がet al., 2020 ）。今後の衛星観測においては，合成開口レー長いため，より高風速域までの風速推定が可能となるこ

ダー（ SAR ）などによって風波とうねりの違いまで区別と，また，降雨減衰の影響を受けずに風速推定が可能とし，非線形相互作用の時空間分布の考察に結びつけるこ。従来なることが期待されている（ Isoguchi et al., 2021 ）とが重要である。

のマイクロ波センサーは 10 km 以上のフットプリント内

6.1. 海上風と波浪
SAR は，日本における海洋研究の中では比較的馴染みに陸域がかかると，精度の高い計測が行えなくなるため，沿岸域に観測の空白域が生じるという問題があった。一方，SAR ではパルス圧縮，および，合成開口処理により，の薄い衛星センサーである。一方で，台風の海上風推定

空間解像度 10 m 程度の観測が可能であり，沿岸近くまや，波浪の計測など，大気海洋境界に関わる現象を高いでの計測に適している。この特性を生かして，SAR によ

空間解像度で可視化できるセンサーであり，今後の利用

る海上風計測は，当初，沿岸域の海上風を計測する研究が期待される。SAR はマイクロ波散乱計と同様に能動型が多く行われてきた。特に，沿岸域は，地形によって海センサーで，海面からの反射・散乱波を受信して海上風

上風が歪められ，大きな空間非一様性が生じる。これら

速を推定する。一般的には，1 方向からの観測値のみが得の海上風の空間分布によって形成される，波浪や海洋循

られるので，散乱計と違い，風速・風向を同時に推定す環に関する研究もおこなわれてきた。また，一方で，）でのることは出来ないが，高い空間解像度（ O（ 10 m ）Sentinel-1 衛 星 の SAR で は， 小 さ い 海 域（ 20 km ×観測が可能であり，台風・熱帯低気圧等の目の構造も詳

20 km ）を 100 km 間隔で観測することで，全球の波浪ス

細に捉えることが可能となる。また，散乱計では通常同ペクトルを計測する Wave mode と呼ばれる観測モード

一偏波のみの観測であるが，SAR では交差偏波の観測もも運用されている。これらのデータは波浪モデルへの同同時に行っている。この交差偏波の受信信号が強風域に化データとして，現業利用されている他，大量の画像

対しても感度を有しているため，台風等の荒天下での海

データを利用した大気境界層に関するパラメータの統計

上風推定に用いられている。

的解析にも利用されている。

SAR に限らず，衛星観測における荒天下での海上風計

現在の運用において，外洋の海上風速を推定するため

測に対しては，強風域の検証データが限られることが大に元となる情報は衛星マイクロ波センサーによって計測きな課題の一つとなっている。米国では，NOAA と米空されている。このセンサーには能動型と受動型の 2 種類

軍の航空機により，ハリケーンの観測がオペレーショナがある。能動型のセンサーは散乱計と呼ばれ，衛星からルに実施されており，航空機搭載 C-band 多周波マイク

地球に向けてマイクロ波を送信し，海面で反射・散乱しロ波放射計（ SFMR ）により，海上風速，降雨強度が計た信号を衛星のアンテナで受信する。散乱計は風速と風212

岩本・相木・磯口・大林・近藤 文義・近藤 能子・西岡

Table 1. List of satellites and sensors covered by this paper.

Table 1. List of satellites and sensors cover by this paper.
衛星名 / センサー名

本稿に関連する観測項目

運用開始年−運用終了年

GEOSAT/GRA

海面高度，海上風速，有義波高1985 年−1990 年

ERS-1/AMI

海上風（風速・風向）1991 年−2000 年

TOPEX/Poseidon/ALT

海面高度，海上風速，有義波高

1992 年−2006 年

QuikSCAT/SeaWinds

海上風（風速・風向）1999 年−2009 年

Aqua/AMSR-E

海上風速，海面水温，2002 年−2011 年

海氷密接度，水蒸気量，積算雲水量，降水量
Metop/ASCAT

海上風（風速・風向）2006 年−運用中

Oceansat-2/OSCAT

海上風（風速・風向）2009 年−運用中

GCOM-W/AMSR2

海上風速，海面水温，2012 年−運用中

海氷密接度，水蒸気量，積算雲水量，降水量
Sentinel-1/C-SAR

海上風速，波浪（うねりのスペクトル）2014 年−運用中

ALOS-2/PALSAR-2

海上風速，波浪情報2014 年−運用中

ひまわり 8 号/AHI

光合成有効放射，海面水温, 海色

2014 年−運用中

ひまわり 9 号/AHI

光合成有効放射，海面水温, 海色

2016 年から待機運用中
2022 年−2028 年（予定）CYGNSS海上風速2016 年−運用中

GCOM-C/SGLI

光合成有効放射，海面水温，海色2017 年−運用中

CFOSAT/RFSCAT, SWIM

海上風（風速・風向），波浪スペクトル2018 年−運用中

ADM-Aeolus/ALADIN

風プロファイル2018 年−運用中

SWOT/KaRIn

海面高度2022 年（予定）

ALOS-4/PALSAR-3

海上風速，波浪情報

2022 年度（予定）GOSAT-GW/AMSR3海上風速，海面水温，2023 年度（予定）

海氷密接度，水蒸気量，積算雲水量，降水量
SKIM

表層流，波浪スペクトル

提案中SEASTAR

表層流，波浪スペクトル，

提案中

海上風（風速・風向）
WaCM

表層流，海上風（風速・風向）

提案中海洋学の 10 年展望 2021：大気海洋境界

213

向の両方を推定できるという特色がある。散乱計によるデータ欠損に関して AMSR2 より不利であるが，時空間

海上風速観測は 1991 年に ERS-1 衛星 /AMI センサーが解像度においてはひまわりのほうが高いため，この二つ運用を開始し，QuikSCAT 衛星 /SeaWinds センサーなの衛星による海面水温の利用価値は双補完的な関係にあどを経て，Metop-B 衛星 /ASCAT センサーに引き継がる。AMSR3 センサーでは固体降水や水蒸気に感度のあれ，最近ではインドの Oceansat-2 衛星や中国・フランス

る高周波チャネル（ 166 GHz, 183 GHz ）のほか，海洋関

共 同 の CFOSAT 衛 星 が 登 場 し て い る（ Ebuchi et al.,

係では，海面水温に感度のある 10 GHz 帯に，帯域幅が2002; Tomita et al., 2019 ）。受動型のセンサーは放射計

広い（温度分解能が良く，ランダムノイズが少ない）チャと呼ばれ，降水，雲，水蒸気，氷，海面の白波などが自ネルを新規に一つ追加することで，6 GHz よりも解像度

ら発するマイクロ波を衛星のアンテナで受信し，いくつの良い海面水温を安定的に，かつ，複数チャネルによっ

かの周波数の情報を組み合わせることにより水に関するて人工電波干渉の影響を低減して観測できるようになる。

諸 物 理 量を抽出することが できる（ Atlas et al., 1996;

Ulaby and Long, 2014 ）。地球観測衛星 Aqua に搭載され た マ イ ク ロ 波 放 射 計 AMSR-E の 6.925 GHz 帯 と6.2. 表層流と波浪
SAR による海上風速や波浪関連以外の検出物理量とし10.65 GHz 帯水平偏波輝度温度から算出された全天候型て，表層流の検出が研究されてきた。SAR では地表面と海上風速は，高風速・強降雨の状況にも対応することがの相対速度によるドップラー周波数を計測して画像化にできた。AMSR-E は宇宙開発事業団（現 JAXA ）が開発使用する。この特性を利用することで，表層流に関するし，その改良版である AMSR2 センサーが GCOM-W（し情報が検出可能となることが明らかとなった。また，衛ずく）衛星に搭載され，荒天において優れた特性を示し

星進行方向の画像を干渉させることで 2 画像間でのドッており，気象庁の台風解析でも利用されている（ Shibata,プラーシフトを計測し表層流の観測が行われている。現2006 ）。2023 年 度 打 ち 上 げ 予 定 の GOSAT-GW 衛 星

在，打ち上げが確定したものはないが，これらの技術を（ GCOM-W と温室効果ガスミッション GOSAT-2 の後散乱計と同様に 2 次元方向に拡張することで，表層流を継）に AMSR3 センサーが搭載されることになり，開発計測するミッションが，欧州，米国から複数提案されてが正式に始まっている。AMSR2 では研究プロダクトだっいる。ESA（欧州宇宙機構）に提案された SKIM 衛星はた全天候海上風速が，AMSR3 では標準プロダクトに格Ka-band のドップラーレーダー型高度計で，表層流に加上げされる。荒天下の海上風速を衛星から観測する手法

え，CFOSAT 衛星の技術を発展させ高い波長分解能でについて，SAR やマイクロ波センサー以外の手法として，の 2 次元波浪スペクトルを計測する。同じく ESA に提案

GPS 信号の利用が提案されている。NASA の CYGNSS

された SEASTAR 衛星は Ku-band のアロングトラック

は，海面で反射した GPS 信号の強度を 8 機の超小型衛星

干渉 SAR で，SAR の高い空間解像度を活かして，1 km

で計測し海面の勾配を求め風速を推定する。

解像度での表層流・海上風ベクトル，波浪スペクトルのAMSR2 センサーは海上風速だけでなく降水量分布お計測が計画されている。NASA に提案されている WaCM

よび（雲に覆われた海域の）海面水温や水蒸気量の観測

衛星では，Ka-/Ku-band の（ドップラー型）散乱計によにおいて海洋と密接に関係がある。海面水温の観測におる表層流と海上風ベクトルの計測が計画されている。こいても極軌道衛星同士で比較した場合，マイクロ波放射

れらのミッションは，これまで衛星観測では実現してい計センサーは赤外線センサーにくらべて雲の被覆の影響なかった，非地衡流成分を含む表層流ベクトルを計測すを受けないという利点がある。その一方で，静止軌道衛るものであり，かつ，同時に海上風速，波浪等の取得が星ひまわり 8 号によって実現された 10 分間隔の海面水温可能となる。一方で，NASA と CNES は SWOT 衛星を

測定は，1 日ごとにデータを蓄積することで赤外線セン

2022 年に打ち上げる予定である。これは，従来観測線上

サーによる雲の被覆をかなり取り除けることがわかったに沿って計測されていた海面高度を 2 次元に拡張するも。台風の痕跡の解析などにおい（ Kurihara et al., 2016 ）の で，GEOSAT，TOPEX/Poseidon 衛 星 以 降，30 年 以て，ひまわり 8 号による海面水温は，雲の被覆による上ぶりに新たなタイプの海面高度データが得られること

214

岩本・相木・磯口・大林・近藤 文義・近藤 能子・西岡になり，サブメソスケールの海面高度を計測可能なようで，日本周辺の外洋には KEO/J-KEO ブイ以外は安定しに設計されている（橋濱ら，2021, 本特集 ; 木田ら，2021,

た観測基地がなかったが，台湾が台風観測を主目的とし本特集）。また，内部波に伴う海面高度の空間分布も計

た NTU ブイを 2015 年に設置し運用を開始した。日本で測されると考えられており，鉛直循環を含む海洋上層のは高知県が管理している黒潮牧場ブイで測定された水温混合過程等の研究に対する貢献も期待されている。時空と衛星海面水温の比較検証が近年行われるなど，地方自間的にシームレスな観測は，上述した大気海洋間の運動

治体や水産業界と海洋学会との連携が始まった。これに量輸送や表層流と海洋波の相互作用の理解において有効

は GTSPP や iQuam のような国際的な現場データ登録シなデータとなる。また，近年研究が進められているマイステムが役に立っている。今後，黒潮牧場のようなブイ

クロプラスチックの輸送に重要な要素となる，垂直混合に海面関連センサーを追加する際には，データ流通を鍵と水平移流に関する理解に対しても重要なデータとなるとして自治体・大学・国研が連携すべきである。日本沿可能性がある。一方で，2020 年度の衛星設計コンテスト

岸の係留ブイに関しては，津波や高潮災害の監視を主目（ http://www.satcon.jp/ ）では，光学センサーを搭載し的として国土交通省による GPS 波浪計 18 基の設置が進た海洋プラスチック観測衛星の提案が注目を集めた。こみ，これに海岸近くの海底設置式波浪計を合わせた波浪のような小型衛星を設計するグループを海洋学会からも観測網 NOWPHAS が整備されている。海洋学会は工学

支援し，人材育成と学際融合を進めることが望まれる。

コミュティーと連携してこれらのデータの利用価値を高

6.3. 現場観測
海面から射出されるマイクロ波の信号には白波の効果

めていくべきである。

6.4. 水面の砕波の影響が含まれている。白波被覆率は，これまで衛星観測プロ

超高風速域における気液間運動量輸送量に関する考察

ダクトとして一般的でなかったが，推定アルゴリズムのは， 歴 史 的 に は そ れ ほ ど 単 純 で は な か っ た（ 高 垣，

発展により海塩粒子の生成率の見積もりに寄与していく

2020 ）。高風速下の運動量輸送の理解において，米国マことが予想される。そのためには波浪モデルや現場観測

イアミ大学の風洞水槽から得られた結果に基づき Done-によるアプローチとの連携が重要である。白波被覆率のlan（ 2004 ）の抵抗係数アルゴリズムが提案された。この推定方法は Phillips（ 1985 ）のΛ分布を基礎として理論的アルゴリズムは，2013 年頃から NCAR の WRF や NHC

枠組みが確立され，その後は精力的な観測研究が進めらの Hurricane WRF などにオプションとして追加され，れ，現在では第三世代波浪モデルの出力変数の一つとしハリケーンや台風の数値シミュレーション研究において。国内の現場て提供されるに至っている（ Romero, 2019 ）

時々利用されている。2010 年前後に京都大学の工学部に観測については，CCD カメラ撮影による白波被覆率の計

おいて運用されていた大型の風洞水槽を用いて，Tak-，
測アルゴリズム開発が行われ（ Sugihara et al., 2007 ）agaki et al.（ 2012 ）は，抵抗係数の風速依存性が風速

最近ではステレオカメラを用いた波浪観測や，時間的に35 m/s 付近からの大きな変化する理由が，力学的なレ高解像度の光学式粒子数計による波飛沫の観測が行われジームシフトによることを明らかにした。これは，風波。カメラや GPS など近年
るようになった（相木ら，2020 ）の波頭が強く破砕されることにより，水面が相対的にフ小型化された汎用電子機器の技術を積極的に利用して，ラットになるのが一因であろうとの結論に至っている。

新しい波浪関連の観測機器を開発していくことが期待さ

最近ではデータの再検証により，Donelan（ 2004 ）モデルれる。

は実験誤差を含んでいる可能性があり，京大アルゴリズ

白波被覆率と比較して海上風速は，広く利用価値のあムの方が優れているのではないかという報告がある（ Cur-る物理変数であり，ドロップゾンデや SFMR，そして世

cic and Haus, 2020 ）。大気海洋間の運動量輸送の見積も界各地の係留ブイによる実測値との比較検証が継続してり方法については，対数プロファイル法や渦相関法だけ行われている。係留ブイによる風速の実測は，熱帯のでなく乱流運動エネルギー法や慣性散逸法も検証されて

TAO/TRITON ブイ，アメリカ近海の NODC ブイが主

。近年は洋上風力発電や洋上空いる（ Inoue et al., 2011 ）海洋学の 10 年展望 2021：大気海洋境界
港施設の運用にむけて大気海洋境界に関わる新しい観測機器（ LiDAR による洋上の風速やエアロゾル分布の観測

215

6.5. 非線形相互作用など）の試験が気象や海岸工学など近隣コミュニティで

大気海洋間の運動量輸送において海上風速（絶対風速）

行われており，それと並行した大気海洋波浪結合モデル

ではなく海上風速と海洋の表層流速との差（相対風速）や位相解像波浪モデルなどの開発が海洋学会に新しい潮が海洋の渦の維持に密接に関係していることがわかって流をもたらしている（ Kanada et al., 2017; Houtani et al.,

。波浪モデルについてもきている（ Tsujino et al., 2013 ）2018 ）。大循環モデルおよび領域モデルにおいては

海上風速によって駆動するのが従来のやり方であったが，SPRINTERS のような大気エアロゾルモデルと海洋・波海洋の表層流と波の位相速度との相互関係の理解が重要

浪モデルを結合したシステム開発が今後 10 年間に進めである。台風や爆弾低気圧の通過時のように短時間で風。
られることが予想される（ Saruwatari and Abe, 2014 ）速が変化する場合には波向と風向がいつも同じではない

その基礎モデルとして大気海洋境界層を連続した LES モ

ことが一つのポイントであり，海面のうねりの相乗効果

デル研究の拡充が求められる。海洋学会においては海洋

によって船舶の遭難に至るような巨大波が現れることが混合層内の乱流と波浪過程あるいは生態過程を同時に解。波々間相互作用モデルの開ある（ Tamura et al., 2009 ）くモデル研究がこれまで活発に行われ，そのなかで粒子発によってこのような現象の一部が再現できるように追跡アルゴリズムによる新たな展開があった（ Furuichi。その検証には漂なった（ Komatsu and Masuda, 1996 ）et al., 2012; Fujiwara et al., 2020 ）。このような研究のな

流型波浪ブイシステムや衛星観測による検証が欠かせな

かで海面水温や風速のような変数だけでなく，例えば海い。波々間相互作用は波動乱流理論によって力学的解釈

面の白波被覆率や海面近傍における乱流散逸率や同じくが行われてきた。その普遍的性質を理解した上で，観測海面近傍における塩分（降水・河川起源）のような新しいと理論を組み合わせることが有効である。

物理変数を核として，観測研究とモデル研究の両輪を進めるべきである。

波々間相互作用理論の開発は，波浪予測の精度を高めるための中核となる取り組みである。この分野では，伝水面の砕波は数値シミュレーションで再現するのが難

統的に，Hasselmann（ 1962 ）によって定式化されたエネ

しく，国内外で大型室内水槽設備を使用した高風速に関ルギースペクトルの時間発展方程式を効率よく計算するする研究が続けられている。このような超高風速域での。Hasselmann の手法が求められてきた（ Masuda, 1980 ）大気海洋境界研究を実施可能な大型水槽設備は，国内外

波々間相互作用理論は，表面波だけでなく，回転成層流にわずか 6，7 台しか存在せず，良い研究のできる大型設

体中の内部波にも適用することができる。古くは中緯度備の作成と維持の重要性と困難さを，海洋関連および風海洋において普遍的に存在するとされる Garrett-Munk

工学のコミュニティ全体で理解していく必要がある。主スペクトルを伝わるエネルギーフラックスの計算に利用だった海外の高速風洞水槽はマイアミ大学の SUSTAINされてきた。近年では，中深層における乱流混合の定量

水槽，ロシア，オーストラリアの水槽である。特にマイ化を目的として，全球におけるエネルギースペクトルのアミ水槽は，2015 年に最大風速が 50 m/s から 85 m/s へ

時間発展を計算する実際的なモデル開発も試みられていとアップグレードされた。国内の海洋・土木工学・船舶

る。これらを一例とし，潮汐や風によってつくられた内工学学会においては，例えば，国内の大学や研究所の風部波の散逸がもたらす深層混合の推定は，世界的なホッ洞水槽や観測施設を見学するツアーを若手向けに開催すトトピックである。近年の観測やシミュレーション研究

る（候補地の一覧は高垣 直尚会員のパブリックコメン

では，乱流混合のエネルギー効率が内部波の性質に依存

ト を 参 照 https://kaiyo-gakkai.jp/jos/archives/jos̲an-

して変動するとの報告がなされているほか（ Ijichi et al.,nounce/8499 ）などして，横のつながりや世代交代の素2020; Onuki et al., 2021 ），内部波に加えてサブメソス

地を作り，さらに洋上風力発電など海上構造物に関連す

ケール渦や地衡流の存在を考慮し，エネルギー散逸率のる民間企業と連携して，大型設備による実測研究の未来推定式を検証しなおす動きがある（ Barkan et al., 2017;

を開拓していくことが期待される。

Takahashi et al., 2021 ）。

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岩本・相木・磯口・大林・近藤 文義・近藤 能子・西岡

表面波と内部波の理論的共通性にも見られるように，に海洋学会が連携していくにあたり，情報通信研究機構

波動・渦・乱流等に関する力学研究は，海洋学の諸分野が開発した航空機搭載 SAR の利用が，候補の一つとしをつなぐ言わば横糸として伝統的に重んじられてきた。

て挙げられる。また，空気中と水中ではセンサーの特性

その存在意義は現代においてもまったく失われていない。

や測定可能な項目が異なるなどの難しさはあるが，海面海洋学会の発表大会においては，2016 年度からセッショ

直上の大気から海表面を経て海洋表層まで鉛直的に連続ン提案制が導入された。これによって従来の海洋力学・したデータが取得できる機器を導入した，組織的な大気

波浪に大気力学を加えた三分野が一つにまとまった情報

海洋境界 観測の実現が望まれる。例えば Hostetler et

交換の場が生まれた。今後，気象学会や流体力学会と. 2018 ）は，航空機搭載の LiDAR を用いて，自由対流
al（

いった近隣組織との連携を深めながら，数理物理学や計圏から大気境界層にかけてのエアロゾル後方散乱の鉛直

算科学の手法に根ざし，物理素過程における新たな発見

分布（解像度 20 m 程度）と，海洋有光層における光拡散を目指す野心的な取り組みを地道に続けることで，長い減衰係数の鉛直分布（解像度 2 m 程度）を連続して計測目で見たときの海洋学諸分野への貢献がなされるものとし，飛行経路に沿う詳細な構造を示している。衛星観測考えられる。例えば Hasselmann（ 1962 ）の理論は，自由や現場観測の結果から，海洋中の光拡散減衰係数の鉛直

表面におけるエネルギースペクトルのゆっくりとした変分布をある程度仮定することができるようになれば，ひ動を記述するものであったが，近年では，より突発的なまわり衛星や GCOM-C（しきさい）衛星のようなイメー

風強制への応答や海氷による減衰効果等も考慮して予測

ジャで光合成有効放射（ PAR ）波長積算の有光層深や波できるよう，計算式を拡張する試みがある（ Liu et al.,

長毎の有光層深（光消散係数）を推定することが期待で

2021 ）。海氷­波浪相互作用については極域においても重きる。衛星搭載の LiDAR については，ESA が 2018 年 8

要課題として位置づけられており，人工衛星による海氷

月に Aeolus 衛星を打ち上げ，エアロゾルや雲粒の流れ観測と連動した波浪研究の発展が望まれる。

を捉えることにより，風速の鉛直分布を解像度 500 m 〜

7. 総合的な研究手法

いる。Aeolus 衛星は 2021 年 8 月に設計寿命を迎えるた

2 km で推定したデータを 2020 年 4 月から一般公開してめ，後継ミッションにむけて JAXA と気象研究所を中心

これまで説明した 5 つのトピックス（大気からの栄養に調査が進められている。前述したマイクロ波・赤外線・塩沈着，SML，気体交換，エアロゾル形成，波浪に関わ光学センサー，そして SAR についてもあてはまることでるプロセス）のそれぞれの枠を超えた総合的な研究手法

あるが，気象や陸域分野で計画されている衛星ミッショ

について本節で提案する。米国では航空機によるハリ

ンに，海洋や大気境界層に関する要望やアイディアを早ケーン観測を継続的に実施し，ドロップゾンデと SFMR

い段階から積極的に伝えることが望ましい。打ち上げ後による海上風速データの検証を行っている。米国におけには宇宙から計測されたデータから海洋や大気境界層にる航空機観測（ Hurricane Hunters ）では，強風下の低空関する情報を積極的に抽出することができるように，海を低速で飛行しても推進力を失わないようにするために

洋学会とリモートセンシング関連コミュニティとの連携

敢えてプロペラ機を使用している。空中から投下可能なを，センサーの違いの垣根なく，高めていくことが重要

海洋測器として AXBT や AXCTD の他に，Argo フローである。今後は，例えば，気象分野で使われている衛星

トと同じように自動浮上が可能な鉛直プロファイラーもシミュレーターのコンセプトを海洋に応用し，海上風速。国内でも航空機による台風観測ある（ Hsu et al., 2018 ）のリモートセンシングで直接計測している物理量を，波を行い，ドロップゾンデを用いて上空から海面までの気浪モデルの出力変数を工夫することで，時空間的に隙間

温，湿度，風速の鉛直分布を測定している（ Ito et al.,

なく再現することが挙げられる。同様に，海色のリモー

2018 ）。日本気象学会では，気候・地球システム科学研

トセンシングで直接計測している物理量を，生態系モデ究を推進するために，大気観測専用の航空機を導入する

ルの出力変数を工夫することで，時空間的に隙間なく再ことをマスタープラン 2017・2020 で提案している。これ現することが挙げられる。これらを海洋環境監視という海洋学の 10 年展望 2021：大気海洋境界

217

キーワードをもとに運用体制まで発展させるなかで，海油膜 slick を追跡した SML 中の微生物群集解析が実施さ

洋の時空間構造についての新しい発見が，観測と理論を。ここで使用されている
れている（ Parks et al., 2020 ）両輪として生まれることが期待される。

SAR は，C-band および X-band であり，一般的に波長

海面近傍の組織的な観測として，Argo フロート，漂の短い SAR が slick の観測には適していると考えられて

流波浪ブイ，そして近年では Wave グライダーや海鳥へいる。一方で，JAXA の L-band SAR においても，オイのバイオロギングの活用が注目されている（ Sato et al.,slick 観測への利用，
ル流出による slick が検出されており，

2008 ）。全球を観測する Argo フロートでは，5 m 以浅はおよび，波長依存性が明らかになることが期待される。

計測しないという方法がとられていた。これはポンプで人工衛星のみでなく，近年発展の目覚ましいドローンに水を吸い込んでセンサーの電極で電気伝導度を計測する

よる空撮を活用すれば，より広い条件で海面情報と SML

際に，海面付近の汚濁物によりセンサーが汚染されるのサンプルの同時採取が可能となるだろう（木田ら，2021，を防ぐためである。この問題は払拭されつつあり，最近

本特集）。ドローン自体のおこす風が SML を乱さないよ

では国際アルゴ運営委員会でも海面 1，2 m 深までの計測

う注意する必要があるが，工夫すれば現実的に考えられを推奨している。一方，電磁誘導式のセンサーはポンプ

るのではないだろうか。さらに，採取量は制限されるでが不要なため海面近く 1 m 以浅の塩分・水温が計測可能あろうが軽量な SML 採取装置を開発してドローンに取で あ り，Argo フ ロ ー ト へ の 搭 載 が 見 込 ま れ て い る

り付け，海面状況を確認しながらドローンから SML サ。海面付（ https://rbr-global.com/products/oem/argo ）ンプルを採取することも検討していきたい。

近の塩分・水温を測定可能なセンサーはこれまでも存在

SAR の利用の新しい例として，海上風速の推定を前節

し 10 cm の鉛直解像度で降水痕跡を観測した例があるで紹介した。SAR の利用がこれまで進みにくかった主要。これらに基づき降水イベ（ Anderson and Riser, 2014 ）な要因として，観測頻度とデータ購入費の問題がある。

ントにともなって海面上の雨水がどのように分布，拡散

観測頻度に関しては，高い空間解像度のトレードオフとしていくのか，それが大気から沈着したダストとどのよ

して，観測幅が全球観測のセンサーに比べて狭くなり

うに相互作用していくのかなどを明らかにしていくこと，その影響で頻度が低くなる。散乱（最大 500 km 程度）。
が期待される（ Hosoda et al., 2009 ）計，放射計等が 2 〜 3 日の繰り返し周期で全球を観測で

水面ごく近傍である SML の詳細な観測のためには，3きるのに対して，PALSAR-2 では，同じ地点を観測する節で述べたマイクロセンサーの適用も検討が望まれる。

のに，平均 7 日程度を要する。また，データ量等の制限

船舶を用いた現場での直接観測に加えて，例えば，Argo

により，全球を連続して観測することができず，スナッ

フロート上部にマイクロセンサーを装着して，Argo フ

プショットでの観測となる。ただし，近年は，多くの国

ロート本体を水面直下で停止させた状態でマイクロセンの宇宙機関で複数の SAR 衛星による，多数個の人工衛サーを稼働させ，海表面付近の数 cm については微細ス

星を協調動作させるシステム（コンステレーション）が運

ケールの詳細な鉛直データを取得するというオプション

用，または，計画されていて SAR 衛星の数が増えていの検討も有効と考えられる。あるいは，波浪で壊れないる。2022 年度打ち上げ予定の ALOS-4 衛星 /PALSAR-3

堅牢なセンサーを工夫し，漂流波浪ブイに取り付けるこセンサーでは，観測幅がこれまでよりもかなり広くなるとができれば，海表面付近の連続データを取得できる可，観測頻度が増えることが期待されので（最大 700 km ）能性がある。

ている。また，民間による小型 SAR 衛星の打ち上げが，海面の状態を実際に確認・記録しながら SML サンプ

欧米，日本を中心に活発化している。これらの小型 SAR

ルや海表面近傍データを取得するために，レーダーの活

衛星は，いずれも 20 機程度以上のコンステレーションが用も有効である。海面に油膜を伴う slick が形成されてい計画されており，原理的には数時間以内間隔での観測がる場合，人工衛星に搭載した SAR でもその様子が捕ら可能となる。データ購入費に対しては，衛星データのえられており，こうしたレーダー画像解析と現地での測オープンアンドフリー化の流れにより，これまで，購入器による観測ならびに SML サンプル採取をあわせて，が必要だった SAR データに関しても，無償でデータの

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岩本・相木・磯口・大林・近藤 文義・近藤 能子・西岡

利用が可能となりつつある。実際に，ヨーロッパの Sen-

比較項目（白波被覆率や海面近傍におけるエアロゾルのtinel-1 SAR 衛星に関しては，上述した Wave mode デー

鉛直分布）を整備することが求められる。これまで海洋

タも 含 め て Copernicus Open Access Hub（ https://sci-

学の分野は長期的な地球システムの変化に関する理学的

hub.copernicus.eu/ ）からダウンロード可能である。まな理解を目標とする場合が多かった。一方で気象学や土た，JAXA に関しても，JERS-1 衛星の SAR データは，木工学の分野においては豪雨や暴風災害など社会に関連

G-portal（ https://gportal.jaxa.jp/ ）より無償で入手可能

する短期的なイベント研究に目標を据える傾向がある。

となっている。このように，今後は，SAR の海洋観測

この違いを積極的に利用して，例えば化学天気予報シス

データが爆発的に増加し，目に触れる機会も多くなるこ

テム（ Uno et al., 2003 ）でイベント解 析を行いながらとが予想される。これらの光学画像も含めた高い空間解

SSA 生成や栄養塩沈着のモデル化における現状を見極め

像度のデータを，従来の観測データや数値モデル等と組

データ同化に有効な観測項目を発掘したり，近年のマイみ合わせて，大気海洋境界のプロセス研究にどう生かす

クロプラスチック研究に関する技術開発に連動して SMLかについては，新たな視点やアイディアが必要となる。

や降水痕跡の観測とそのモデル化を推進したりすると今後，既存の手法の改良・標準化と，新たな手法や新いったことが期待される。

たなアプローチの組み合わせにより，地球表面の 7 割を覆う海表面のさまざまな海域でのデータが蓄積され，様々な環境条件における大気海洋境界の実態やその動謝 辞

態，生物地球化学的物質循環と気象海象等の物理的現象

本稿の作成にあたり，以下の方々（敬称略）ならびに 3の関係，地球環境変化・変動に対するそれらの応答など

名の匿名の査読者から貴重なご助言をいただきました：

に関する解析が進むことが望まれる。

江淵直人，大貫陽平，岡英太郎，可知美佐子，高垣直尚，田村仁，富田裕之，中岡慎一郎，濵﨑恒二，細田滋

8. 今後に向けて

毅，本多牧生，宮﨑雄三，村上浩。深く感謝申し上げます。

本稿では，海洋の有光層から大気の対流圏まで含めた空間を対象として，大気海洋境界付近での生物地球化学的な連鎖と物理場の相互作用の研究展望について説明した。特に水深 10 m から海表面を経て上空数百 m までの範囲は，観測とモデル両方において従来の鉛直解像度では動態把握に不十分であった。この大気海洋境界層の研究は国内では海洋学，気象学，大気化学，土木工学，船舶工学，リモートセンシングそれぞれの分野において独略語説明（プロジェクト名と衛星・センサー・測器名は日本語省略）AMSR-E: Advanced Microwave Scanning Radiometerfor the Earth observing system
ASGAMAGE: the Air-Sea Gas Exchange/MAGE Experiment

自の発展を遂げてきた。本稿で述べたようなコミュニ

ASGASEX: for Air Sea GAS Exchange

ティ連携は中堅以上の研究者にとっては醍醐味があるが，

AXBT: Airborne eXpendable BathyThermograph

学生や若手にとっては現状や将来像が見えづらいという課題がある。その中でよく組織されているのが生物地球

probe
AXCTD: Airborne eXpendable Conductivity, Tempera-

化学分野を中心とする SOLAS-Japan であり，全球のみ

ture, and Depth probe

ならず西部北太平洋やベンガル湾などにおいて領域地球

CCD: Charge-Coupled Device

システム研究プロジェクトを推進してきた。今後 10 年間

CCN: Cloud Condensation Nuclei 雲凝結核において物理系の研究者が合流した大気海洋境界アライ

CFOSAT: China-France Oceanography Satellite

アンス（多様なコミュニティ間の連絡網）を形成すること

CLAW: Charlson Lovelock Andreae Warren（著者名のにより，新たな共通目標や観測・モデル化における標準頭文字）海洋学の 10 年展望 2021：大気海洋境界219

CNES: Le site du Centre national dʼétudes spatiales

NHC: National Hurricane Center

COARE: Coupled Ocean Atmosphere Response Experi-

NOWPHAS: National Ocean Wave information network

ment

for Ports and HarboursCYGNSS: Cyclone Global Navigation Satellite System

NODC: National Oceanographic Data Center

DMS: Dimethyl Sulﬁde 硫化ジメチル

NTU: National Taiwan University

DMSP: Dimethylsulfoniopropionate ジメチルスルフォニ

OASIS: Observing Air-Sea Interaction Strategy

オプロピオネイト

DOC: Dissolved Organic Carbon 溶存態有機炭素
EANET: the acid deposition monitoring Network in
East Asia 東アジア酸性雨モニタリングネットワーク
ERS-1/AMI: European Remote Sensing satellite-1 /Active Microwave Instrument
ESA: European Space Agency
FDOM: Fluorescent Dissolved Organic Matter 蛍光性
溶存有機物

PALSAR: Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar
PAR: Photosynthetically Active Radiation 光合成有効放射POC: Particulate Organic Carbon 粒子態有機炭素
SAR: Synthetic-Aperture Radar 合成開口レーダー
SCOR: Science Committee on Oceanographic Research
海洋研究科学委員会

SEAREX: The Sea-Air Exchange program

GasEx: Gas Exchange Experiment

SFMR: Stepped Frequency Microwave Radiometer

GEOSAT: Geodetic Satellite

SKIM: Sea Surface KInematics Multiscale monitoring

GEOTRACES: An International Study of the Marine

SML: Sea surface Microlayer

Biogeochemical Cycles of Trace Elements and Their

SSA: Sea Spray Aerosol

Isotopes

SUSTAIN: Surge Structure Atmosphere Interaction

GPS: Global Positioning Satellite

S3F: Sea Spray Source Function

GCOM-C: Global Change Observation Mission Climate

SOCAT: Surface Ocean CO2 Atlas 表層海洋 CO2 データ

GCOM-W: Global Change Observation Mission Water
GOSAT-GW: Greenhouse Gases Observing Satellite
Greenhouse gases and Water cycle
GSMaP: the Global Satellite Mapping of Precipitation
GTSPP: Global Temperature and Salinity Profile Programme
HNF: Heterotrophic Nanoﬂagellates 従属栄養性ナノ鞭毛虫

ベース

SOLAS: Surface Ocean Lower Atmosphere Study 海洋
大気間の物質相互作用研究計画

SPRINTERS: Spectral Radiation-Transport Model for
Aerosol Species
SWOT: The Surface Water and Ocean Topography
TEP: Transparent Exopolymer Particles 透明細胞外ポ
リマー粒子

HNLC: High-Nutrient, Low-Chlorophyll

TAO: Tropical Atmosphere Ocean

iQuam: in situ SST Quality Monitor

TRITON: Triangle Trans-Ocean buoy Network

JERS: Japanese Earth Resources Satellite

TN: Total Nitrogen 全窒素

KEO: Kuroshio Extension Observatory

VMAP: the Variability of Maritime Aerosol Properties

LES: Large Eddy Simulation

VOS: Voluntary Observing Ship 篤志観測船

LiDAR: Light Detection and Ranging

WaCM: Winds and Currents Mission

Metop-B/ASCAT: The Meteorological Operational sat-

WRF: Weather Research and Forecast systemellite program-B/Advanced Scatterometer
NASA: National Aeronautics and Space Administration
NCAR: National Center for Atmospheric Research

220

岩本・相木・磯口・大林・近藤 文義・近藤 能子・西岡
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Decadal vision in oceanography 2021: Air sea boundary
Yoko Iwamoto 1＊, Hidenori Aiki 2, Osamu Isoguchi 3, Yumiko Obayashi 4,
Fumiyoshi Kondo 5, Yoshiko Kondo 6, and Jun Nishioka 7
Abstract
The ocean significantly influences the Earthʼs climate by exchanging heat, gas, and particles with theatmosphere. The radiation budget of the Earthʼs atmosphere is affected by physical, chemical, andbiological processes in the atmospheric boundary layer over the ocean via cloud formation and CO2
absorption at the sea surface. This in turn influences the ocean through changes in temperature,
precipitation, and solar radiation. The air‒sea boundary has a direct interaction with human life throughthe observation and prediction of extreme occurrences, such as typhoons and rogue surface waves, inaddition to climate issues. Herein, this paper focuses on “the air‒sea boundary,” not limiting as “the air‒sea
interface.” The air‒sea boundary encompasses a large vertical region, extending from the euphotic layer,
where primary production occurs, to the troposphere. This paper also focuses on satellite observations
relating to air‒sea boundary phenomena. Does the deposition of aerosols containing nitrogen, phosphorus,
and iron contribute to primary production in terms of nutrient deposition from the atmosphere? What role
does the sea surface microlayer play as an air‒sea interface, and what factors influence its physicalproperties? What information is required to calculate the amount of greenhouse gas and marine biogenic
gas exchange? What types of marine aerosols inﬂuence cloud formation and the radiation budget? Whatapproaches are required to comprehend the spatiotemporal distributions that aﬀect the amount of matterand energy exchanged during wave processes? To answer these questions and help humans live inharmony with the natural environment, this paper presents a 10-year vision for necessary research andcollaboration between the Oceanographic Society of Japan and neighboring societies.

Key words: nutrient deposition, sea surface microlayer, gas exchange, aerosol production,
surface waves(Corresponding authorʼs e-mail address: y-iwamoto@hiroshima-u.ac.jp)(Received 15 July 2021: accepted 7 September 2021)(doi: 10.5928/kaiyou.30.5̲199)(Copyright by the Oceanographic Society of Japan, 2021)
1 Graduate School of Integrated Sciences for Life, Hiroshima University, 1-7-1 Kagamiyama, Higashi-Hiroshima, Hiroshima
739-8521, Japan
2 Institute for Space-Earth Environmental Research, Nagoya University, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi 464-8601, Japan
3 Remote Sensing Technology Center of Japan, JAXA Tsukuba Space Center, 2-1-1 Sengen, Tsukuba, Ibaraki 305-8505, Japan
4 Center for Marine Environmental Studies, Ehime University, 3 Bunkyo-cho, Matsuyama, Ehime 790-8577, Japan
5 Japan Coast Guard Academy, 5-1 Wakaba-cho, Kure, Hiroshima 737-8512, Japan
6 Graduate School of Fisheries and Environmental Sciences, Nagasaki University, 1-14 Bunkyo-machi, Nagasaki, Nagasaki
852-8521, Japan
7 Pan-Okhotsk Research Center, Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, 19N8W, Kita-ku, Sapporo, Hokkaido
060-0819, Japan* Corresponding author: Yoko Iwamoto
e-mail: y-iwamoto@hiroshima-u.ac.jp