海の研究（Oceanography in Japan），30（5），159−178，2021，doi: 10.5928/kaiyou.30.5̲159
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：極域＊

川合 美千代 1＊＊・田村 岳史 2・渡邉 英嗣 3・西岡 純 4・
野村 大樹 5・真壁 竜介 2・溝端 浩平 1・安中 さやか 3
要旨

今後 10 年に我が国が取り組むべき極域研究について，海洋学の視点から論じた。気候変化
への極域の応答とフィードバックを明らかにするための重要課題として，両極共通の重要プロセスである中緯度からの海水輸送，海氷を介した物質輸送と生物生産，沿岸域の熱輸
送と物質循環の定量化に加えて，北極海では海氷減少に関連する環境変化のメカニズム，
春先の急激な季節変化，南大洋では東南極での大気 海洋 海氷 氷床結合システムの理解を取り上げた。さらに，今後の極域研究の進展のため，自国の砕氷船，自律型無人潜水機の活用に加えて，研究用潜水艇，海底観測基地，沿岸観測タワーの建造と，オホーツク海とサロマ湖の海氷域研究基盤としての利用，数値モデルの改良について提案した。
キーワード：北極海，南大洋，海氷・氷床融解，陸 海相互作用，Polar morning

西部境界 フラム海峡 カナダ多島海北部境界 ベーリン

1. はじめにグ海峡と陸で囲まれた部分を狭義の北極海として議論す。その他，カナダ多島海やバフィる場合が多い（ Fig. 1a ）

本稿では，極域海洋として北極海と南大洋を取り扱う

ン湾，ハドソン湾，ベーリング海，GIN 海（グリーンラ

こととする。北極海の定義は様々であるが，バレンツ海

ンド海，アイスランド海，ノルウェー海）を含む場合もある。一方の南大洋には，南緯 40 以南，南緯 60 以南

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2021 年 7 月 15 日受領；2021 年 9 月 14 日受理
著作権：日本海洋学会，2021 年
東京海洋大学 学術研究院〒 108−8477 東京都港区港南 4−5−7
情報・システム研究機構 国立極地研究所〒 190−8518 東京都立川市緑町 10−3
海洋研究開発機構 地球環境部門〒 237−0061 神奈川県横須賀市夏島町 2−15
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
北海道大学 北方生物圏フィールド科学センター〒 041−8611 北海道函館市港町 3−1−1
連絡著者：川合美千代
e-mail : michiyo@kaiyodai.ac.jp。
あるいは南極前線の南といった定義がある（ Fig. 1b ）極域海洋には氷がある。その氷とは海氷であり，また，
氷床から海に張り出した棚氷や，海に流れ出た氷山である。海氷は，冬には両極海洋を広く覆うが，夏には融け，冬の面積に比べて南大洋では 15％，北極海では 40％程
度に縮小する（極域環境監視モニター：https://ads.nipr.

ac.jp/vishop.ver1/ja/vishop-monitor.html ）。南大洋はほとんどが季節海氷域で，海氷も一年氷が多いのに対して，
北極海は一年中海氷に覆われた海域が広く存在し，多年氷が多い。海氷の存在は，海面熱収支，風応力の海洋への伝達，大気−海洋間の物質交換，海洋中の光強度，生160

川合・田村・渡邉・西岡・野村・真壁・溝端・安中(b) 南大洋(a) 北極海

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①チャクチ海 , ②ボーフォート海 , ③カナダ多島海 , ④ハドソン湾 ,①ウェッデル海 , ②ベリングスハウゼン海 , ③アムンゼン海 ,⑨グリーンランド海 , ⑩ノルウェー海 , ⑪バレンツ海 , ⑫白海 ,⑧デービス海 , ⑨コーポレーション海 , ⑩コスモノート海 ,⑤ハドソン海峡 , ⑥バフィン湾 , ⑦ラブラドール海 , ⑧リンカーン海 ,⑬カラ海 , ⑭ラプテフ海 , ⑮東シベリア海 , ⑯ベーリング海A ベーリング海峡 , B バロー岬 , C ケンブリッジベイ , D フラム海峡
E カナダ海盆 , F ボーフォート循環 , G トランスポーラードリフト④ロス海 , ⑤ソモフ海 , ⑥デュルヴィル海 , ⑦モーソン海 ,⑪リーセルラルセン海 , ⑫ラザレフ海

A ドルトンポリニヤ域 , B トッテン氷河 , C ビンセネス湾 ,D ケープダンレーポリニヤ域

Fig. 1. Maps of（ a ）the Arctic Ocean and (b) the Southern Ocean.

物の生息域，海氷が移動することによる鉄や堆積物・プ

極の氷床融解の加速や巨大氷山の海洋流出が毎年のよう

ランクトンなどの輸送など，海洋環境に様々な影響を及に報告されている（ Shepherd et al., 2018; 2020 ）。このた。また，海氷形成時
ぼす（ Vancoppenolle et al., 2013a ）め，極域海洋に対する社会的関心は高く，氷の融解によに生成される低温・高塩分・高密度な水は，中層水，深り極域の海がどのように変化するのか，また，その変化

層水や底層水を形成し，全球規模の水循環や物質循環をが全球の気候，水循環，物質循環，生物生産，そして人。一方，陸上に雪駆動している（ Ohshima et al., 2016 ）間活動にどのような影響を及ぼすのかを明らかにするこが降り積もって形成された氷床は，北極海周辺ではグとが求められている。これらの課題の解決には，物理 化

リーンランドにのみ存在している。グリーンランドから

学 生物は当然のこととして，海洋 海氷 大気，自然科学

海に流出した氷山は主に大西洋側に流れ出るため，北極

人文・社会科学といった分野や領域，衛星観測 現場観

海内部で氷山を見かけることはあまりない。しかし南大測 モデル計算といった手法などを横断した連携研究が洋では，南極氷床の末端が棚氷や氷山として沿岸に流出必須である。実際，過去 10 年の間，極域海洋学に関しし，海洋循環や物質循環過程などを変化させる重要な要てはこのような連携を重視したプロジェクトや重点的観素となっている（ Tamura et al., 2012; Shadwick et al.,

。例えば，
測が実施されるようになってきた（ Table 1 ）2013 ）。

現在進行中の日本の北極域研究加速プロジェクト ArCS

この極域特有の海氷や氷床が，近年急速に減少しつつ

II では，自然科学 工学 人文・社会科学の多分野連携のある。北極海の多くの海域はすでに多年氷域から季節海中で海洋学研究が実施されている。南大洋と南極氷床に。グリーンランドや南氷域へと変貌した（ Kwok, 2018 ）関する新学術領域研究 GRAntarctic では，氷床，古環

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海洋学の 10 年展望 2021：極域

Table 1. List of major recent/ongoing projects relevant to polar oceanography.
プロジェクト名（略称）

主な内容

と実施国

ArCS Ⅱ，日本

情報2020 〜 2025 年：持続可能な北極を目指し，環境変化把 https://www.nipr.ac.jp/arcs2/
握，気象気候予測，人間社会影響評価などを推進する
総合プロジェクト

GRAntarctic，日本

2017 〜 2022 年：新学術領域研究

http://grantarctic.jp/

多分野連携 / 融合研究により南極氷床̶南大洋システ
ムの理解と将来予測を目指す

SOCCOM，米国

2014 年〜：約 200 台の BGC フロートを投入し，南大洋 https://soccom.princeton.edu/の炭素循環と気候への影響解明を目指す

MOSAiC，ドイツ

2019 〜 2020 年：ドイツ砕氷船を用いた超長期北極海横 https://mosaic-expedition.org
断漂流観測プロジェクト

境，固体地球，全球気候に関わる南極システムを総合的に理解するための重要分野の一つとして海洋学が位置付けられている。これらのプロジェクトの下，前回の将来
構想当時は手つかずであった南大洋の棚氷 海洋相互作用の観測（岡ら，2013) が開始され，神田ら（ 2013 ）でそ

2. 極域研究の重要性と現状
2.1. 北極海の必要性が述べられていた多数のセンサー投入による 4

近年の北極海の急速な海氷減少に伴い，海洋内部では次元の物質動態観測（例えば米国の SOCCOM; Table 1；

様々な変化が観測されている。水温や塩分の変化（ Pro-

平井ら，2021, 本特集）や，浜崎ら（ 2013 ）で議論されてshutinsky et al., 2019；Polyakov et al., 2020)，大気からいた生物多様牲に関する調査やモニタリングも実施され，海洋酸性の CO2 吸収量の増加（ Yasunaka et al., 2018 ）ている。このような現状を踏まえて，本稿では，今後 10，一次生産量の増加（ Lew化の進行（ Zhang et al., 2020 ）

年に日本が特に注力すべき研究テーマについて議論する。

is et al., 2020 ），有害有毒植物プランクトンの分布拡大

2 節では極域海洋研究の重要性と現在注目されている，動物プ（ Natsuike et al., 2017; Huntington et al., 2020 ）問題や課題を紹介し，3 節では筆者らが特に推し進める

ランクトンの分布や組成の変化（ Abe et al., 2020; Ersho-

べきと考える研究について論じる。北極海と南大洋の両

va et al., 2021 ），魚類分布域北上（ Eisner et al., 2020 ）方で今後の極域海洋プロセス解明の鍵として挙げたのなどである。さらに，北極の海氷減少が中緯度に異常気は，中緯度からの海水，熱，物質の輸送メカニズム，海象をもたらすことが指摘されており（ Honda et al., 2009;

氷を介した物質輸送と生物生産，沿岸プロセスの解明で

Inoue et al., 2012 ），海氷減少は北極海に限らず広く人間ある。また，日本が世界をリードできる分野として，北活動や生態系に影響を及ぼす可能性がある。

極海では自国の砕氷研究船を活用した春先の集中観測，

しかし，これらの変化の将来予測に関してはいまだ不南大洋では東南極における大気−海洋−海氷−氷床結合

確定性が大きい。海氷予測に関して，Coupled Model In-

システム解明のための多面的研究を取り上げる。4 節でtercomparison Project Phase 6（ CMIP6 ）に代表されるは今後の極域研究発展のために必要な研究基盤を提案す

地球温暖化を想定した将来予測プロジェクトでは，経済る。

優 先で 最も温 暖 化が 進 行 すると考えられるシナリオ

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川合・田村・渡邉・西岡・野村・真壁・溝端・安中（ SSP5-8.5 ）を想定した場合，21 世紀半ばには夏季に海氷いう点も明らかにすべきである。

が 消 失 す る と い う 予 測 が 出 さ れ て い る（ Notz et al.,また，海氷の減少は大気−海洋間の温室効果気体の収2020 ）。ただし，各国の気候モデル間で予測結果のばら

支 を 変 化 さ せ る。CO2 収 支 に つ い て は，Yasunaka et

つきが大きい。また，境界条件を与える社会経済シナリ. 2018 ）によって北極海全域でのマッピングがなされal（

オ自体にも多くの不確定要素を含むことを認識しておくた。これまでは，表層混合層の海水は大気に対して CO2。モデル間でばらつく原因のひ必要がある（ IPCC, 2019 ）未飽和であったため，海氷減少によって大気と接触する

とつとして，中緯度から流入してくる海水による熱輸送

時間と面積が増加し，海洋への CO2 吸収量が増加してき量の違いが，海氷予測に大きく影響することが指摘された。今後海水温の上昇が続けば，表層混合層の CO2 濃度。北極海には，比ている（ Docquier and Koenigk, 2021 ）が上昇し，吸収能の低下あるいは放出源へシフトする可較的高温な大西洋起源水がフラム海峡とバレンツ海から能性がある。また，北極海から大気へのメタンの放出も。
流入し，150 900 m 深に広がる（ Polyakov et al., 2020 ）

重要である。温暖化による永久凍土融解に伴って大量の

大西洋起源水のもたらす熱は，大西洋側北極海だけでな

メタンが河川や海底から海洋に供給され，大気に放出さく，太平洋側北極海沿岸域における海氷生成抑制にも寄。大気への放れる可能性がある（ Shakhova et al., 2010 ）。ベーリング海峡から流入与する（ Hirano et al., 2018 ）出においては，海氷内での濃縮やバクテリアによるメタする太平洋起源水は，夏季にチャクチ陸棚上で太陽放射ン生成も関連するが，CO2 に比べて観測例が少なく，広，カナダ
加熱によって昇温した後（ Tsukada et al., 2018 ）

域的かつ定量的な見積もりはなされていない。現在進行

海盆の数十 m 深に貫入して亜表層水温極大を形成する

している多年氷から一年氷へのシフトなど海氷の質の変。近年，大西洋起源水・太平（ Timmerman et al., 2018 ）化が海氷内部を通じた気体交換過程に与える影響を明ら

洋起源水ともに，水温の上昇が観測されており，その熱。また，かにすることも課題である（ Nomura et al., 2018 ）が 海 盆 域での海 氷生成を抑制している可 能性がある

氷縁域，クラックやリード（氷が割れてできる溝や水路）。しか（ Timmerman et al., 2018; Polyakov et al., 2020 ）内では，海氷融解水や雪融け水により，海面から数 m 深

し，これらの海水の北極海内部における輸送経路や海面までの間に強い成層が生じるため，船底から海水を吸いへの熱供給プロセスについてはまだ十分にわかっていな

上げて観測するという従来の方法では，実際の大気−海い。亜表層や中層に運ばれた熱が海面に及ぼす影響を理。海
洋間の気体交換を見積れない（ Ahmed et al., 2020a ）解するためには海氷減少に伴う海洋の移流・混合過程の氷薄化によりクラックやリードが増加している北極海で変化について，海氷 海洋間の多様な相互作用も含め包はこの点に注意した観測が必要である。

括的に明らかにしていく必要がある。

近年，北極海の「亜寒帯化」（ Borealization；海域によっ海洋物理場の理解は，化学・生物環境の将来予測におては Atlantiﬁcation や Paciﬁcation とも呼ばれる）が注目いても重要である。特に，温暖化によって弱光と低水温。北極海の海洋環境されている（ Polyakov et al., 2020 ）による一次生産の制限が緩和された北極海では，栄養塩が亜寒帯のそれに近づくというものであり，大西洋起源

が移流，鉛直混合や渦によってどれだけ供給されるかが，水・太平洋起源水による温度上昇に加えて，大西洋側で。また，一次生産の増減を決定する（ Popova et al., 2010 ）は高塩分化，太平洋側では低塩分化が観測されている。亜寒海洋酸性化は淡水による希釈の影響を強く受けるため， （ Proshutinsky et al., 2019；Polyakov et al., 2020 ）河川水や海氷融解水の行方によって左右される（ Zhang

帯化は，物理環境の変化だけでなく，植物プランクトン

et al., 2020 ）。また近年，北極海の海氷中の微量金属元素が増殖可能な期間の延長，秋季ブルームの発生，亜寒帯は海水に比べて高い濃度で蓄積されており，海氷とともからの動物プランクトンや魚類の北上や優占種の交代なに移送されて海氷融解時に直下の海洋に放出されている

ど にも 現 れ て いる（ Fossheim et al., 2015; Polyakov et

ことも示されている（ Evans and Nishioka, 2019; Bolt etal., 2020 ）。特に，バレンツ海やチャクチ海など，大西洋

al., 2020 ）。海氷減少と海洋循環の変化が，微量栄養物質

水や太平洋水の入り口に近い海域で変化が大きい（ Hun-

である金属元素の循環にどのような影響を与えるのかと

tington et al., 2020; Polyakov et al., 2020)。しかし，生物海洋学の 10 年展望 2021：極域

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に関する長期のデータは少なく，また，観測時期のほといる。南大洋では，主に沿岸域における局所的な海氷生んどが夏季に限られている。今後の生態系の変化を理解

産に起因して，南極底層水と呼ばれる全球海洋で最も重して予測につなげるためには，モニタリングの継続と拡い水が生成される。全球の熱塩（子午面）循環はこの南充，生態系モデルの精緻化が必要である（ Huntington et

極底層水の沈み込みを出発点として駆動されていると言al., 2020 ）。

える。南極底層水は全海水の 30 〜 40％を占める巨大な北極海の環境変化は，人間活動との関わりも深い。例

負の熱の貯蔵庫であり，その量や温度は全球気候を左右えば，魚類などの水産資源の分布域北上は，北極海内部。近年の観測からしうる潜在力を持つ（ Johnson, 2008 ）に新たな漁場をもたらす（ Eisner et al., 2020; Hunting-

この底層水の昇温・低塩分化・体積の減少が明らかになり，

ton et al., 2020 ）。このため，公海域での漁業資源を保全

熱塩循環が弱化している可能性が指摘されている（ Pur-

するための新たな国際的取り決めとして，2034 年までを

key and Johnson, 2010; 2013 ）。さらに，南大洋は地球最対象とした「中央北極海無規制公海漁業防止協定」が 10

大の CO2 貯蔵庫でもあり，氷期−間氷期サイクルにおけの関係各国および機関の間で締結された。また，海氷減る CO2 変動は南大洋が決めてきたという説が有力である

少により，大西洋と太平洋をつなぐ北極航路の利活用が。一方で，地球の氷の約 90％を占（ Uemura et al., 2018 ）

進んでいる。ロシア沿岸の北東航路とカナダ多島海を通める南極氷床は，海水準で約 60 m に相当する淡水の貯過する北西航路のうち，物流の大半は海氷が少ない北東。南極氷床は比較的安蔵庫である（ Fretwell et al., 2013 ）航路の方を利用している。またロシアのヤマル半島で大定であると考えられてきたが，近年になって縮小が相次規模な液化天然ガス基地が稼働していることもあり，エいで報告され，膨大な熱容量を持つ海洋がこの氷床質量

ネルギー輸送の観点からも重要なルートとなっている。

損 失 の 鍵 であると強く疑 われ ている（ Prichard et al.,北極の海氷減少が中緯度に異常気象をもたらす可能性に2012; Paolo et al., 2015 ）。このように，熱・水・物質のついては，その影響の大きさやプロセスなどについて現貯蔵に関わる南大洋は，全球気候や海水準を決定づける在も盛んに議論されているが，一貫した結論には至って重要な要素である。

。逆に中緯度いない（ Mori et al., 2019; Overland, 2021 ）南大洋は，南極氷床との間に強い相互作用を持つ。例の人間活動による北極海への影響として，ブラックカー

えば，南極氷床の縮小がもたらす淡水は，海水の低塩分

ボン，人為起源窒素化合物，マイクロプラスチックなど（低密度）化を招き，海洋の成層構造を安定化させる。この汚染物質の輸送がある。ブラックカーボンは積雪や海れは南極底層水の生成を弱化させて亜表層の水温上昇を氷のアルベドの低下による融解促進材，人為起源窒素は招き，南極氷床末端部を底面から融解してさらなる氷床

海氷海洋生態系への新たな窒素源としての働きが注目さ損失をもたらすと考えられている。また，IPCC 海洋・雪れている。北極海では高濃度のマイクロプラスチックが氷圏特別報告書（ IPCC, 2019 ）では，海洋の 2,000 m 以

観測されており，その起源や行方，生物影響が問題と深の水温上昇は南大洋において最も顕著であり，南極底なっている（ Peeken et al., 2018; 阿部ら，2021; 平井ら，

層水の温暖化がこれに関係していると指摘されている。

2021, 本特集 ; Ross et al., 2021 ）。これらは比較的新しい

氷床損失の加速の影響は南極沿岸流により南極沿岸全域

研究テーマで，早急な定量化と継続的監視が必要とされに及ぶため，底層水の変化の主要因となっている可能性

るが，分析手法の確立も同時に進める必要がある。

が高い。さらに，熱塩循環は同時に物質循環を伴う。南

2.2. 南大洋

大洋における CO2 や栄養塩等の循環は，全球気候や生態系の変動を支配する最重要因子の一つである。南大洋は

南大洋には，偏西風によって駆動されている全球最大

海洋における人為起源 CO2 吸収の約 40 ％を担っておりの海流である南極周極流が存在し，三大洋と開放的に繋，吸収された人為起源 CO2 は南（ Khatiwara et al., 2009 ）がっている。その中深層では，北大西洋深層水を起源と極中層水，亜南極モード水，南極底層水によって，南大する周極深層水（ CDW：Circumpolar Deep Water ）が極。
洋から中・低緯度海域へと輸送される（ Ito et al., 2010 ）向きに湧昇することで，南極沿岸域に熱と塩を供給してまた，これらの水塊とともに南大洋から輸送される栄養164

川合・田村・渡邉・西岡・野村・真壁・溝端・安中

塩が中・低緯度海域の一次生産を支えている（ Sarmientoのかは，海洋力学における重要な研究課題である。地球

et al., 2004 ）。低温でもともと大量の CO2 を溶かしてい温暖化に伴って予測されている南半球の偏西風の強化

る南大洋は酸性化の影響が早期に深刻化する海でもあ（ IPCC, 2019 ）に対して東南極域の海洋循環がどのようにり，酸性化による炭素や栄養塩循環の変化の可能性も指応答するか，今後さらなる研究が必要である。また，。
摘されている（ Petrou et al., 2019 ）CDW は沿岸域への栄養塩輸送においても重要であるた

IPCC 第 5 次評価報告書（ IPCC, 2014 ）は，「 20 世紀後め，一次生産との関連も注目される。一次生産に関して

半の温暖化が人為起源である可能性は極めて高い」と報は，海氷縁辺域で生じる植物プランクトンの大増殖（氷告しつつ，南大洋と南極氷床において気候モデルによる縁ブルーム）が重要である。氷縁ブルームの成因は一般再現と観測結果との差が大きいなど，理解の遅れを指摘

的には海氷が消失することと，供給される淡水によってしてきた。西南極（西経で表される南極大陸）では気温

浅い表層混合層が形成され，植物プランクトンにとってや南大洋深層水温の上昇が観測されているが，南大洋全の光環境が好転することと理解されている。しかし，実体の海面水温や東南極（東経で表される南極大陸）の気際には，これらの環境要因のみでは時空間的に不均一に温は有意に温暖化しておらず，海氷についても北極海の生じる氷縁ブルームの発生を説明できないことが分かっような減少傾向にはない。東南極大陸上では，氷床厚がてきた。海氷に含まれる沿岸堆積物またはダスト由来の

増加している地域もある。生態系・物質循環モデルは植

鉄や海氷中の植物が融解とともに水柱に供給されること

物プランクトン分布のような基本項目ですら南大洋ではも挙げられるが，その理解は定性的なものにとどまって再現に成功していない。古環境の研究から，南極底層水いる。また，海氷由来の鉄が，近年南大洋沿岸域で発見や南極氷床には一度越えてしまうと容易には後戻りできされた窒素固定の動態を左右する重要な因子である可能ない不可逆的臨界点が存在し，現在そこに向かって近づ。
性も指摘されている（ Shiozaki et al., 2020 ）

いている可能性があると指摘されているが，物理的アクセスの困難さに起因する観測とモデル研究の圧倒的不足
により，その実態は未だ解明に至っていない。
現在，西南極の氷床縁辺部の融解が加速していて，西南極に基地を構える各国は精力的に現場観測を行って変動の様子をとらえつつある。一方，日本の研究コミュニ
ティは，南極氷床質量全体の 90％近くを占める東南極域を中心に観測研究を進め，様々な知見や新たな課題を明

3. 今後 10 年に注力すべき研究テーマ
3.1. 北極海
3.1.1. 海氷減少メカニズムとそれに伴う海洋環境変化の定量的解明
海氷の運動は風による駆動力と内部応力（氷盤同士のらかにしてきた（ Ohshima et al., 2013; Aoki et al., 2020;

衝突時に働く抵抗力）に支配され，これらが変化するとHirano et al., 2020; Kiuchi et al., 2021 ）。氷床の質量損失

北極海から大西洋側への海氷流出量も大きく変動するに関しては，海盆から沿岸域に流入する暖かい CDW に。一般的に海氷が薄くなると内部応（ Spreen et al., 2020 ）よる底面融解と氷床の不安定化が重要であるが，東南極力が低下するため，仮に風向・風速が一定であっても，においては，大陸斜面から海盆域にかけて定在する時計

海氷の流動性が高まることになる（ Spreen et al., 2011;

回りの循環が，CDW の氷床末端への輸送に寄与していKwok et al., 2013 ）。極端なケースとして内部応力が全く。しかし，時計回り循環の形
る（ Mizobata et al., 2020 ）

効かない状況（フリードリフト）では，カナダ沿岸での氷成要因や循環流量の変動要因は風応力では説明できてお板の積み重なりが少なくなり，その結果，将来，カナダ

らず，今後さらなる研究が必要である。より岸側を西向

海盆では平坦な海氷がボーフォート高気圧に伴う時計回きに流れる南極斜面流（ Antarctic Slope Current ）は，りの風応力にそのまま応答する形で同心円状に分布する

暖かい CDW の大陸棚への流入を妨げるバリアの役割をようになることも想定される。このような海氷の脆弱化

果たしている。時計回り循環による暖水輸送が，沖合のに伴って海氷下の海流および海洋熱輸送も全体的に強化

CDW と沿岸の南極斜面流の変動性とどう関係しているされるはずである。したがって大気 海氷 海洋間の運動

海洋学の 10 年展望 2021：極域

165

量伝達効率が近年どのように変化してきたかを定量的にの供給源として重要であるが，近年の観測から，流量増明らかにすることは，海氷減少の力学的要因や海洋循環

加，水温上昇，塩分低下（特に冬季）が報告されている

変動を理解する上で重要である。また数年やより短いス。これらの変化の（ Woodgate and Peralta-Ferriz，2021 ）ケールの海氷減少を，地球温暖化による気温・海水温の要因の解明は今後の北極海の環境変化を理解する上で不上昇といった熱的な要因だけで説明することは十分では可欠である。太平洋起源水のベーリング海峡通過流量

なく，様々な相互作用も含めて明らかにする必要がある。

は，海峡付近の南北風や海面高度の東西勾配だけでなく代表的な海氷 海洋アルベドフィードバックは夏季の海氷，東シベリア海やベーリング海北（ Mizobata et al., 2010 ），マイクロ波
融解を促進するが（ Kashiwase et al., 2017 ）部の海面高度変動からも遠隔影響を受けることが指摘さによる衛星観測から示されているように年間最小海氷面

れている（ Peralta-Ferriz and Woodgate, 2017; Mizoba-

積が単調減少になっていないことから（極域環境監視モニ

ta, 2021 ）。ただし，流量変動のすべてを説明するには，

タ ー：https://ads.nipr.ac.jp/vishop.ver1/ja/vishop-moni-

年々変動と長期トレンドのそれぞれについて支配メカニ

tor.html ），複雑なシステムの中での各プロセスの相対的ズムを包括的に理解する必要がある。

寄与を把握する必要がある。例えば，海氷融解による海

太平洋起源水による熱供給は，北極海の海氷減少に寄面への淡水供給と太陽放射加熱が成層を強化し，下層か与するが，ベーリング海峡通過後にチャクチ陸棚縁からら の 熱 供 給 を 妨 げ る の に 対 し て（ Peralta-Ferriz and

カナダ海盆中央部に至る正確な経路やその間の熱量変Woodgate, 2015 ），海氷の脆弱化に伴う流動性の高まり

化，さらに海盆内の数十 m 深に流入した後の海面への熱は直下の鉛直乱流混合を介して数十 m 深からの上向き熱供給メカニズムも併せて明らかにする必要がある。カナ輸送を活発化させ，海氷減少に寄与する正のフィード

ダ海盆中央部における海面への熱供給を同海域のエクマ。現在の北極海はバックをもたらす（ Kwok et al., 2013 ）ン湧昇流で説明することは難しく，乱流混合など鉛直熱

大陸から多くの河川水が流入していることや海水温が低輸送を示すデータを広範囲で連続的に取得できるかどう

いために塩分主導の密度成層で特徴づけられるが，温暖かが鍵となる。海氷の脆弱化は海氷設置型ブイによる漂化によって海洋上部への蓄熱が進めば成層強度に対する流観測を困難にするため，その代替手法を考案・開発し水温の寄与も無視できなくなる可能性がある。そのようて晩秋〜春季も含めた通年観測を継続し，海洋熱輸送プな状況では海洋循環像も大きく変化することが想定されロセスのシームレスな理解と定量化を達成することが必るため，数値モデルに仮想的な条件を与えて将来起こり要である。

得る海洋環境をシミュレーションしておくことが望ましい。

太平洋起源水は，ベーリング海での湧昇でもたらされる豊富な栄養塩をチャクチ海に運び，高い一次生産を支

大気循環との関連では，海氷縁の後退に伴って北大西持している。さらに，北極海中央部に栄養塩を輸送し，

洋からの低気圧の進路（ストームトラック）が北上し，カ有光層上部で窒素栄養塩が枯渇した海盆域で，有光層下

ナダ海盆を時計回りに流れるボーフォート循環を弱化す部における一次生産を支えている。海氷減少に伴って弱る可 能 性 があることが 指 摘されている（ Moore et al.,

光と低水温による制限が緩和された北極海では，一次生

2018a ）
。このことはカナダ海盆に蓄積された淡水（ Pro-

産における栄養塩供給の重要性が高まっている（ Popova

shutinsky et al., 2019 ）が北大西洋により多く流出し，

et al., 2010 ）。地球温暖化を想定した将来予測実験でも栄1970 年代に観測された Great Salinity Anomaly のように

養塩濃度変化の度合いによって一次生産量の増減トレン

大西洋子午面循環を抑制するきっかけともなり得るため

ドがモデル間で分かれることが報告されている（ Vancop-，この一連のプロセスを全球気候モ（ Caesar et al., 2021 ）penolle et al., 2013b ）。つまり，太平洋起源水の経路や海デルで検証しておくことが望ましい。

盆域での鉛直混合の理解は，生物生産と物質循環の観点

3.1.2. 太平洋起源水の輸送とその海氷生成および生物生からも重要である。さらに，太平洋起源水は，チャクチ

産への影響
太平洋起源水は，北極海への熱，淡水，栄養塩，炭素

海での有機物分解と人為起源 CO2 による酸性化の影響を受けて炭酸カルシウム（アラゴナイト）未飽和に達し（ Ya-166

川合・田村・渡邉・西岡・野村・真壁・溝端・安中

mamoto-Kawai et al., 2016 ），カナダ海盆や周辺の沿岸増加し，アルベド低下を介して海氷融解に拍車をかける底層に生息する石灰化生物の好適生息域の縮小を引き起。
可能性も指摘されている（ Bond et al., 2013 ）こ し て い る（ Mathis et al., 2012; Yamamoto-Kawai et

Polar morning は，一次生産の場所が海氷の内部や底al., 2013 ）。近年，チャクチ海では太平洋起源水の物理的面から海洋中へと移行する時期である。例えばチャクチ

性質の変化（ Woodgate and Peralta-Ferriz, 2021 ）に加海陸棚域では，海水中クロロフィル濃度が 5 月から 6 月

えて，生態系の亜寒帯化が観測されている（ Huntingtonあたりに極大を示すことが係留系観測の結果より明らか

et al., 2020 ）。これらの変化は，チャクチ海における有機。Polar morning は，になっている（ Nishino et al., 2016 ）物生成・分解速度，脱窒速度などの変化をもたらし，海動物プランクトンが活発に植物プランクトンを摂餌し，盆域に運ばれる栄養塩濃度や濃度比，炭酸カルシウム飽。この再生産を行う時期でもある（ Søreide et al., 2010 ）

和度を変化させることで，海盆域の生物にも影響を及ぼように，4 〜 6 月の観測が重要なことは明らかでありながす可能性がある。加えて，太平洋起源水の塩分低下すな

ら，海氷の存在に阻まれ，観測例がほとんどない。しかわち密度低下は，海盆内での太平洋起源水の存在深度をし，海氷融解が年々早まり，また，砕氷船建造が決まっ

浅くするため，一次生産者への栄養塩供給量やアラゴナたことで，今後観測が実施可能となる。つまり，Polar

イト未飽和水の沿岸湧昇頻度を高めると考えられる。すmorning の集中観測は，北極海における物質循環の理解

でにチャクチ海の物理環境や生態系の変化が観測されてに向けて次に踏むべきステップである。また，自国の砕いる今，物理・生物プロセスのさらなる解明と同時に，氷船を用いることで，これまで困難であった分析機器の化学成分の長期係留観測（センサー観測，時系列採水），

持ち込みやサンプル輸送が容易となるため，日本の海洋

過去のデータと近年のデータとの比較などを行い，ベー学で培ってきた世界最先端の微量金属元素，微量気体，

リング海峡から海盆域までの太平洋起源水による物質輸

同位体比などの化学分析技術を駆使した研究を展開する

送の変化とその生物影響を解明することが急務である。

。これにより，単ことができる（蒲生，2014; 宗林，2016 ）3.1.3. Polar morning 期のプロセスとその重要性にデータの空白時期を埋めるだけではなく，物質循環の2021 年 1 月，日本初の砕氷機能を持つ北極域研究船の経路の解明や，プロセスの定量化が可能となる。具体的建造が発表された。2026 年の竣工を目指している。航行な観測研究項目としては，海氷上に蓄積した汚染物質，可能な海氷厚は 1.2 m 程度と想定されており，多年氷の人為起源物質，栄養物質の海洋への流入と，これらに対少なくなった近年の北極海であれば，9 月から 12 月にかする生物の応答，海氷融解期における温室効果気体の放けて，北極海のほとんどが航行可能域となる。また，春

出・吸収量の変化，光強度変化にともなう海氷内部およ

先のベーリング海，チャクチ海や沿岸付近での観測も可

び有光層内での光化学反応の変化，海洋起源エアロゾル能となる。 本 稿 では，4 月から 6 月にかけ ての 春 季 をの大気への放出，海氷融解に対する植物プランクトン生“Polar morning” と名付け，この時期に起きるプロセス

理的順応メカニズム，アイスアルジーから外洋性プランに特に注目する。この時期には，長い極夜が終わり，光クトンへの移行期における一次生産量ならびに動物プラが差し込み，海氷が緩むなどの環境変化が急激に進み，ンクトンの摂餌および再生産の変化，表層の環境の変化

物質循環や生物生産にも変化が起こる。すなわち，冬季に伴う下層への炭素沈降除去量の変化などが挙げられの間に海氷の上に蓄積した大気由来物質が海水に一気にる。さらに春先の低気圧通過に伴うイベント的な降雪や流入したり，海氷内部や海氷下の海水及び海氷上の積雪

積雪プロセスの理解も光環境や熱収支にとって重要であに蓄積したメタン，揮発性有機ガス，海洋由来エアロゾ

り，いまだ不確定性が大きい再解析データの高精度化に

ルなどが大気に一気に放出されたりする（ Vancoppenolleも寄与する（ Sato et al., 2018; Graham et al., 2019; Uotila

et al., 2013a ）。春先の大気中オゾンの消失をもたらすとet al., 2019 ）。これらの観測により Polar morning 期の大考えられている臭素ガスの発生源は，北極の積雪内での気−海氷−海洋間の熱や物質の動きを定量的に明らかに

光化学反応に起因するという報告もある（ Pratt et al.,することで，気候や生態系に関する将来予測の不確実性

2013 ）。また，中緯度域からのブラックカーボン輸送がの低減につながることが期待される。

海洋学の 10 年展望 2021：極域

3.1.4. 温暖化による陸 沿岸 海盆システムの変化

167

ランクトンが増殖可能な日数が増えたことで，沿岸域に北極海において一次生産を支える栄養塩は，太平洋水おける栄養塩の要求量は大きく増加していると考えられや大西洋水を起源としており，下層から有光層への供給る。すなわち，陸起源の栄養塩供給量の増加は，沿岸域

過程が生物生産を左右する。このため，これまでは陸棚での一次生産増加にそのままつながる可能性がある。有，渦活動（ Watanabe−海盆間輸送（ Nishino et al., 2013 ）光層内での一次生産の増加は，海水中の CO2 濃度を下げ

et al., 2014 ），湧昇流（ Spall et al., 2014 ）といった海洋内ることで大気からの CO2 吸収や海洋酸性化抑制につなが部のプロセスによる栄養塩供給が注目されてきた。しかるが，同時に，生成・沈降した有機物の分解により，底し，温暖化により，河川水，海岸浸食，氷床，海底永久層における酸性化を促進する。また，海岸浸食や海底凍凍土からの有機物や栄養塩など，外部からの供給プロセ

土を起源とする有機炭素の増加は，沿岸域から大気へのスの重要性が高まっている。

CO2 放出量を増やす（あるいは吸収量を減らす）と同時

北極海を取り囲む陸上では，積雪面積や積雪期間の減
少，凍土の融解が進行し，河川水量の増加，流出タイミ
ングの変化，河川水中の有機炭素や栄養塩濃度の増加，に，沿岸域や，沿岸の底層水が流入する海盆亜表層の海。
洋酸性化を加速するだろう（ Semiletov et al., 2016 ）河川あるいは大陸棚を起源とする栄養塩の輸送は，海

植生や淡水藻類種の変化，一次生産の増加など様々な変盆域における一次生産にとってより重要になりつつある。

化 が 起 き つ つ あ る（ Wrona et al., 2016; Lento et al.,

これまでは，厚い海氷の下を流れてそのまま北極海の外2019 ）。オビ，エニセイ，レナ，マッケンジーの 4 大河川に運ばれていた栄養塩が，水中光量の増加した北極海中の年間流量は 1980 年以降の 30 年間で 14％増加したが，央部で増えつつある Under ice bloom（海氷下の水中での夏の流量が減り秋の流量が増えるといった，季節変動の植物プランクトンブルーム）あるいは海氷融解後の開放。最新のモ変化も観測されている（ Ahmed et al., 2020b ）水面での一次生産を支えることが可能になったからであデル研究によって，高温な河川水による熱供給が北極海る。 ま た， こ の 10 年 の 間 に GRENE や ArCS，GEO-の海氷減少や海水温および海上気温上昇に寄与している

TRACES など国内外の研究プロジェクトを通して北極海。また，溶存ことも報告されている（ Park et al., 2020 ）における微量金属元素の観測が大規模に実施された（ Hio-

有機炭素，鉄，ケイ素の海への供給量が大きく増加した

ki et al., 2014; Kondo et al., 2016; Colombo et al., 2020 ）。

河川もあれば，逆に，過去数十年にわたって有意な変化

その結果，北極海表層への鉄の供給源は主に陸域河川やがみられない河川もある。この違いは，永久凍土がある

沿岸大陸棚堆積物にあること，トランスポーラードリフ

流域では温暖化による流量や物質流出量の変化が大きい

ト（ Fig. 1a, 赤矢印）などによる河川水や海氷融解水など。永久ためであると考えられる（ Chupakov et al., 2020 ）の輸送や陸棚水の流出を通じて，沿岸や陸棚から海盆域

凍土には有機物と結合していた水銀が多く含まれるためへ鉄のみならずマンガンや亜鉛，ニッケル，コバルト，，凍土の融解が沿岸域への水銀流（ Schaefer et al., 2020 ）カドミウムといった微量金属元素が輸送されていること，入量増加をもたらし，沿岸の海洋生物や地域住民に影響それらが北極海の広範囲にわたって一次生産へ寄与する。
を与える可能性も懸念されている（ Zolkos et al., 2020 ）ことなどが報告されている（ Kondo et al., 2016; Bundy

他にも，人間活動由来のポリ塩化ビフェニル（ PCB ）や

et al., 2020; Jensen et al., 2020 ）。今後，海氷の減少によ

マイクロプラスチックが河川水を経由して北極海に供給る淡水循環や陸棚水流出過程の変化が，海盆域の鉄制限されていることも知られている（ Carlsson et al., 2018;

を引き起こすことも示唆されている（ Rijkenberg et al.,Yakushev et al., 2021 ）。

2018 ）。海氷による物質輸送も重要である。シベリア沿

従来，陸起源栄養塩の一次生産への寄与は小さいとさ岸で形成された海氷は，トランスポーラードリフトにれてきたが，近年のシミュレーション結果から，河川水，近年，
よって海盆域や大西洋まで運ばれるが（ Fig. 1a ）及び海岸浸食による物質供給が陸棚域での一次生産（再この経路の途中での海氷融解が早まった。このため，沿生生産を含む）に対して無視できないことが示唆された

岸域で海氷に取り込まれた堆積物，メタン，プランクト。加えて，海氷減少により植物プ（ Terhaar et al., 2021 ）ンなどが，以前よりも沿岸に近い海域で海水中に放出さ168

川合・田村・渡邉・西岡・野村・真壁・溝端・安中れるようになり，物質循環，一次生産，生物の多様性なスケールの様々な相互作用が関与している。過去数十万

どを変化させるのではないかと指摘されている（ Krump-

年間に起こった全球規模の大きな気温変動に同期した大en et al., 2019 ）。今後，河川水や海氷が直接あるいは間気 CO2 濃度の変動には，南極周辺の海洋が重要な役割を接的に関わる沿岸と海盆域を結ぶ物質移送プロセスの理

担 っ て い た と 考 え ら れ て お り（ Sigman and Boyle,

解を深めていく必要がある。

2000 ），南大洋の炭素循環変動における物理，化学，生

以上のように，陸 大陸棚 海盆間の物質輸送の重要性

物過程を明らかにすることは重要である。南大洋では過が増す中，河川水から供給される主要な物質の流出量は

去 50 年間に CO2 吸収量や栄養塩濃度の変化が観測され近年のモニタリングにより明らかになってきた（ Holmes，海洋循環ており（ Iida et al., 2013; Gruber et al., 2019 ）et al., 2021 ）が，海に供給された後の行方については定や海氷変動との関連，豊富な動物資源を支える低次生産

量的にはほとんど不明である。特にシベリア沿岸の広大システムへのインパクトの解明が重要課題となっている。

な大陸棚では河川水の滞留時間が数年と長く，大陸棚上

このような状況を踏まえ，海面上昇に対する潜在的なでの変質の影響も大きいにも関わらず，河口域での塩析

インパクトが大きい東南極をターゲットとし，大気，海などによる物質除去を含めて諸過程の観測データ（特に洋，氷床，固体地球，生態系の実態と変遷について，研

季節変動の観測）が少ない。一方，シベリア河川水の流究と観測を集中的に実施する必要がある。中でも特に重域には永久凍土が多く，温暖化の影響を大きく受けるこ

要なのが，氷床末端部にあたる棚氷の下に暖水が貫入しと，トランスポーラードリフトによって海盆域に直接物て，氷床底面から融解が進むプロセス，すなわち氷床海質が運ばれることなどを考えると，シベリア沿岸域での。その過程を現
洋相互作用である（ Holland et al., 2020 ）河川からごく沿岸，そして海盆にかけての物質循環の総場で実証的に捉えるには，ハードルの高い棚氷下の海洋合的かつ定量的理解は，今後の北極海研究において重要観測が必須となり，無人探査を含めた新技術の導入が不な課題である。そのためには従来の船舶観測に加えて，可欠となる。全体としては，沿岸・外洋境界域に位置す

河口域やごく沿岸域での小型船舶，ドローン，ヘリコプ

る大気−海洋−海氷−氷床システムに対して複合的な相ターなどを利用した採水など，沿岸域に特化した観測の互作用をもたらしている，大気・海洋・海氷・物質循環・展開（木田ら，2021, 本特集）が必要である。また，沿岸生態系の変動を明らかにする観測を時空間的に高解像度域の環境変化は地域住民の生活に直接的影響を及ぼす。

で実施する必要がある。また，数値モデルを用いて，棚今後の北極海沿岸域の研究においては，科学者と地域住

氷融解加速を含めた温暖化感度実験等を進める必要もあ

民との間の知識交換や協同観測などを積極的に進めるこる。中でもこれまで遅れをとっている生態系・物質循環とで，持続的観測を可能にし，沿岸域のリスク低減や生モデルの実用化は今後 10 年以内に達成すべき重要項目

態 系 管 理 に 資 することも期 待 される（ UN Ocean De-である。さらに，数千から数万年という長い時間スケー

cade-Arctic Action Plan; https://www.oceandecade.dk/

ルで変化する氷床・海洋システムを理解するため，南大decade-actions/arctic-action-plan ）。

洋で海底堆積物コア等を採取し，過去の変動の復元を高3.2. 南大洋

精度化する必要もある。具体的には，東南極氷床の代表的な流出域および周辺海域（例：ビンセンネス湾〜トッ

3.2.1 海洋循環を軸とした東南極の大気 海洋 海氷 氷

テン氷河〜ドルトンポリニヤ域）をターゲット観測域と床結合システムの実態解明 ～海水準変動予測研究して，外洋から陸棚域への CDW の流入，氷床底面でのへの貢献を見据えて～融解，融解水の流出，これらの物理過程に関連した物質

南極氷床の質量収支に起因する海水準変動の予測のた循環や栄養塩供給，そして生態系への影響といった各プ

めには，南大洋と南極氷床に関して，観測とモデリング

ロセスを解明する。さらに衛星観測も合わせて，現在おによって各プロセスを理解し，種々の相互作用の実態とよび過去数十年の氷床質量収支変動に対応する海洋・海メカニズムを明らかにする必要がある。南大洋と南極氷

氷・生態系の変動を明らかにする。これらの観測の知見床が関わる全球環境変動メカニズムには，異なる時空間を取り入れた氷床海洋結合モデルによるシミュレーショ

169

海洋学の 10 年展望 2021：極域
ンに対して，海底堆積物コアやアイスコアのデータによ生産の鍵である氷縁ブルームの，時空間的に不均一な発る検証を加えることにより，大気 海洋 海氷 氷床結合シ

生のメカニズムは不明である。この原因を明らかにする

ステムのより正確な理解を実現する事ができる。

ためには海氷に含まれる物質（アイスアルジーや鉄）と生海水準変動予測への貢献を見据えた東南極の大気 海成，流動，融解過程との関係把握が重要となる。例えば洋 海氷 氷床結合システムの実態解明は，人類の気候変

海氷中におけるアイスアルジー量および溶存鉄濃度は非動への対応策を考える際に不可欠な研究課題である。南

常にばらつきが大きく，それぞれ 3 〜 10,100 µg L （ Ar-

極氷床の質量収支の変動に起因する海水準変動の予測を

1
rigo, 2014 ），および 0.2 〜 109 nmol L （ Lannuzel et al.,

見据えて，東南極を第一のターゲットとすることで，こ2016 ）と報告されている。このような海氷中の生物と物の地域における日本の歴史的な取り組みを活かすことが質の不均一性には海氷生成過程および海氷中での生物活できる。これまで進めてきた現場観測とモデル研究の融動が寄与していると考えられる。南極大陸縁辺，とりわ，南極とその合をさらに進展させ（ Hirano et al., 2020 ）けポリニヤで生成される海氷には，植物プランクトンが周辺における底層水 ･ 南極周極流 ･ 生態系 ･ 氷床 ･ 固体

海水中に比べて最大 80 倍程度の濃度で取り込まれてい地球の実態と変動の素過程，およびそれらの相互作用を。また，海氷中には植物以外のる（ Garrison et al., 1989 ）。特に，海洋循
明らかにする必要がある（大島ら，2018 ）生物や非生物有機物粒子も大量に含まれている-1-

環場の理解をベースとした，氷床海洋相互作用の解明， （ Schnack-Schiel et al., 2001; Meiners et al., 2004; Arri過去の南大洋と南極気候・氷床変動の復元，生物動態等

go, 2014 ）。このような多様な生物と物質を含む海氷は海の変動の解明が不可欠となる。これらを通して，南大洋

流 や 風 に よ っ て 輸 送 さ れ， そ の 一 部 は Mizobata etと南極氷床が相互作用を通じて全球環境変動に果たす役. 2020 ）で報告されたような時計回りの循環の西側で
al（

割とそのメカニズムを解明する事ができる。また，IPCC

低緯度側へ張り出すことで，氷縁域の食物網の起点，おを含む気候の将来予測や社会的影響など，多くの分野へ

よび深層への炭素隔離に寄与していると予想されるが，の波及効果も期待される。数値モデルによるシミュレー

東南極の外洋域では研究例がほとんどない。日本の南極

ションと現場観測データとの融合，分野横断による現場観測が主に対象としている南大洋インド洋セクターにお観測や，無人探査技術の工学的発展など，学際的側面のいては，近年の気候変動に伴う海氷の変化傾向は明らか

意義も大きい。

ではないが，今後予想される変動が生態系や物質循環に

大気 海洋 海氷 氷床結合システムの実態解明には，どのような変化をもたらすかを把握するために，海氷を海洋循環を軸とした南大洋の理解が必要であり，このた

軸とした物質循環メカニズムの解明は喫緊の課題である。

めには長期の継続的な観測が不可欠である。特に東南極

特に海氷生成，流動，融解のプロセスにおいて，氷縁ブは観測が限られており，南極全体の研究において未解明

ルーム発生の有無や規模に関わる生物や物質の変動要因部分が多い。日本の極域コミュニティが中心となって東を定量的に把握することが重要である。

南極における諸外国との連携を進めることで，長期的な南大洋では，夏から秋の長期にわたって亜表層クロロ

東南極域のモニタリングに向けた国際的な研究協力体制

フィル極大（ SCM ）が形成されることが認識されていたやプラットフォームの構築が期待される。また，分野横. 2020 ）によってようやく初のレビュー
が，Baldry et al（

断的なアプローチを行うため，「氷床海洋相互作用」などがなされ，様々なタイプの SCM が存在していること，その新しい分野の発展や，南大洋における生態系・物質循

してその多くは亜熱帯海域に発生するものとは成因や構環モデルの実用化が期待される。他の南極観測主要国に造が異なることが指摘された。しかし，SCM が食物網や先行して分野融合研究を加速することで，南大洋・南極

物質循環に果たす役割についての知見は非常に少ない。

システムの理解と全球環境へのインパクトを含めた将来

これは，船舶によるスナップショット的観測では時間変予測において世界をリードすることが期待される。

化を捉えることが困難なためである。多数の BGC Argo

3.2.2. 南大洋の生態系と物質循環

フロートが展開され（平井ら，2021，本特集），データが2.2 節に記したように，南大洋季節海氷域における生物

蓄積されてきた今，様々なタイプの SCM について発生・

170

川合・田村・渡邉・西岡・野村・真壁・溝端・安中

維持・消失過程を考慮したプロセス研究が求められる。

因であるため，温暖化にともなう陸からの鉄の供給量増

氷縁ブルームや SCM といった季節的な生産システム

加が一次生産を増加させる可能性がある。一方で，モデのなかで，ナンキョクオキアミやカイアシ類といった一ル計算によると，沿岸域の一次生産を支える鉄は主に堆

次消費者は，アイスアルジーや植物プランクトンにより積物（〜 40％）と下層の CDW（〜 30％）が起源であると生産された有機物を高次捕食者に転送するとともに，排。
CDW はケイ素，
推定されている（ Dinniman et al., 2020 ）出する糞粒や鉛直移動を通して生物ポンプの効率を左右

リン，窒素といった主要栄養塩濃度も高く，沿岸域の一する重要な分類群である。ナンキョクオキアミが物質循

次生産への栄養塩の供給源である。しかし，CDW 由来. 2019 ）で詳細に環に果たす役割については Cavan et al（の栄養塩が，どのように有光層に運ばれるのか（湧昇，

記述されているが，他の分類群については体系的な理解

棚氷底面融解水によるプルーム，渦，冬季混合など），そに至っていない。食物網の構造解析は古くから行われての量は何によって決まるのか，といったプロセスの詳細

いる胃内容物観察や炭素・窒素の安定同位体比，脂肪酸は未解明である。また，南極半島やロス海に比べて，東分析により，スコシア海をはじめとする南極半島近傍で南極沿岸の物質循環に関する定量的研究は少なく，南極実施されてきた。このうち安定同位体比を用いた解析は，周辺の沿岸域全体における栄養塩収支も不明である。

各生物群の食段階と餌の起源を推定する上で有用とされMoore et al（. 2018b ）の将来予測によると，温暖化にているが，これまでの報告では表層混合層の粒状有機物

伴い，中深層の水が湧昇する南極発散域が南下し，ま（ POM ）を食物連鎖の出発点として議論が進む一方で，た，風が強まることで，南大洋沿岸域での湧昇が強化さその炭素・窒素同位体比は一次消費者の値から推定されれる。沿岸域での湧昇強化は，CDW や堆積物からの栄る餌の値と大きく異なっている（ Stowasser et al., 2012;

養塩や鉄を有光層へもたらし，一次生産を増加させる。

Jia et al., 2016 ）。このことは食物網の出発点である餌粒

一方で，有機物粒子の沈降量を増やし，栄養塩や炭素の子が，単純に海氷中の POM や表層混合層の POM では海洋下層や堆積物への除去を促進する。その結果，南大ないことを意味している。SCM の POM や沈降粒子は表

洋では一次生産と大気からの CO2 吸収量が増加するが，層混合層の POM と異なる炭素・窒素安定同位体比を示

南大洋から中・低緯度海域に運ばれる栄養塩が減少する，こ
すことが知られており（ Close and Henderson, 2020 ）ため，海洋全体の一次生産と CO2 吸収量は低下する。

のような物質を起源とする食物網の存在を考慮した，正Moore et al（. 2018b ）のモデル計算によると，100 m 深にしい食物網構造とそれを介したエネルギーフローの理解おける湧昇速度は東南極沿岸で特に高く，今世紀末に向が必要である。

けてさらに増加すると見積もられている。このことは，

南大洋における生態系・物質循環の理解が不足してい日本がターゲット海域としている東南極における生物過る背景の一つには，海氷中の生物と物質に関する学際的程・物質循環研究の重要性を支持している。さらに，南研究プロジェクトが不足していたこと，関連研究が各国

大洋から運ばれるケイ素・窒素栄養塩の濃度比が変化すの基地周辺などの沿岸域を中心に行われてきたことが挙ると，中・低緯度における一次生産者の種類が変化し，げられる。今後は海氷と海洋にまたがる物理学，化学，

その 結 果，海 洋 の CO2 収 支 が 変 化 する可 能 性もある

生物学のより強い連携のもと，沿岸から外洋にわたる南。海水中の栄養塩の比は，有機（ Sarmiento et al., 2004 ）大洋全体の生態系・物質循環を明らかにすることが求め物の生成や分解時に変化することが知られている。植物られる。

プランクトンによる栄養塩取り込み比は一次生産者の種

3.2.3. 沿岸域の物質循環の定量的理解

類や鉄不足などのストレスの有無によって変化し，生成

南極沿岸域，特にポリニヤ域では一次生産が活発であされた有機物粒子の水柱内や堆積物中での再無機化速度る。早い季節から光の供給があること，融解水による成も 元 素 ご と に 異 な る（ Arrigo et al., 1999; Zakem and層が保たれること，氷床融解水を通じて陸からの鉄の供Levine, 2019 ）。また再無機化速度や堆積物−海水間の各給があることなどがその要因としてあげられる。特に鉄成分の移動量は，水温や溶存酸素濃度に応じて変化すは沿岸域でも南大洋外洋域においても一次生産の制限要る。沿岸域は，一次生産，再無機化，堆積と海水の間の海洋学の 10 年展望 2021：極域

171

物質移動が活発であり，また，水温や溶存酸素の変化もる無人観測設備やロボットの運用テストにも利用できる。したがって，温暖化に伴大きい（木田ら，2021, 本特集）だろう。海底都市構想実現に向けての技術開発を目指す

い，沿岸域での栄養塩収支や濃度比は大きく変化する可企業との共同開発や基地利用といった産学連携の発展も能性がある。しかし，南大洋沿岸域における物質循環は期待できる。

未だ不透明である。この物質循環が温暖化によってどの北極海では，オホーツクタワー（ https://o-tower.co.

ように応答するのかを理解するためには，物理的物質輸jp/ ）のような観測施設を，シベリアのごく岸域に設置す送プロセスとともに，有機物の生成，堆積除去，栄養塩ることが特に有益である。冬季の海氷下も含めて，未解の再生・再利用といった生物活動を通じた化学物質の流明かつ重要な陸−海洋境界域における通年観測が可能とれを定量化することが必要である。

なる。シベリア沿岸における陸から海への水・熱・物質の供給量の変化の検出が可能となるほか，アメリカのバ

4. 研究基盤の提案

ローやカナダのケンブリッジベイの沿岸研究施設での観測との比較により，場所による温暖化応答の違いも明ら観測基盤としての砕氷船の重要性と必要性は今後 20かになるだろう。また，海氷生成時における海底堆積物〜 30 年にわたって変わる事はないと考えられ，さらに自から海氷への物質の取り込み過程の詳細な観測などにも律型無人潜水機をはじめとする無人観測技術の推進とそ役立つだろう。

の多点展開が今後の極域海洋研究の柱となることは間違

もう一つ，別の観点からの提案もある。我が国が面すいない。一方で，秋〜冬〜春の海氷域における観測の重る季節海氷域のオホーツク海や北海道のオホーツク海沿

要性が今後高まる事を考えると，砕氷船が海氷域に閉じ岸に位置するサロマ湖のより効率的な利用である。オ

込められてしまうリスクへの対策を考える必要がある。

ホーツク海は北半球で最大海氷生産量の季節海氷域であそこで，研究専用潜水艇の運用を提案したい。これは軍，日本の研究者にとっても世界り（ Ohshima et al., 2016 ）事運用ではないので，航海中のほとんどの期間を浮上航的に見ても最もアクセスし易い海氷域である。オホーツ行で運用できる。海氷域において，海氷下における潜水

ク海には極域海洋で起こる海氷の生成と融解，それに関状態での観測を実施でき，海氷域を潜水で安全に突破しわる海洋循環と物質循環プロセスが存在している（ Ohshi-て沿岸ポリニヤにおいて浮上して沿岸域の観測を行う事

ma and Martin, 2004; Nishioka et al., 2014 ）。また，古くが可能となる。

から海氷に関わる物理学的な研究が進められ（ Toyota et

さらに思い切った案として，海底観測基地を提案する。
設置場所は南極底層水の気候変動に対する応答をモニタ

al., 2004 ），近年では生物学的，化学的な研究も展開されている（ Kanna et al., 2014; Ito et al., 2017; Kishi et al.,

リング可能な海域，例えば日本が発見した海洋大循環の2021 ）。一方，サロマ湖においても長年海氷の物理的特出発点の一つであるケープダンレーポリニヤ（ Ohshima

性から海氷下生態系，物質循環過程に関するものなど多et al., 2013 ）などが候補として挙げられる。また，アクセ

分野にわたった海氷研究が実施されてきた（ Nomura etスが容易な疎氷域かつ水深 100 m 前後といった，設置にal., 2020 ）。また，極域観測のトレーニングや教育の場と関して技術面での難易度が比較的低い場所が候補となして次世代の研究者を育成するための拠点としての役割る。上記の砕氷船や潜水艇から補給を受けることで，通も果たしてきた。今後もオホーツク海やサロマ湖を海氷

年で安定的かつ多岐にわたる海洋モニタリング観測が可域研究の拠点として利用することで，極域海洋の諸現象能となる。自動装置による無人観測に加え，研究者が長について詳細にまた効率よく理解を深めることが可能と期滞在して有人観測できることが望ましい。これにより，なる。また，これまで両極域で実施する現場観測は限ら

各季節における生物活動の目視観測，海氷直下から海底れた季節に行われることが多く，季節を通したプロセス

までの物理・化学観測，現場での培養実験など，新しいの詳細を理解するには限界があった。そこで，アクセス

極域海洋研究の発展が期待できる。また，極域での海底し易いオホーツク海やサロマ湖において海氷観測研究基

基地は，宇宙や深海といった極限環境で将来必要とされ盤を設け，季節を跨いだ観測を実施し，効率的にプロセ

172

川合・田村・渡邉・西岡・野村・真壁・溝端・安中スの詳細を観察し，極域に存在する普遍的な諸現象を解待される。

明していくことができれば，両極域に面していない我が生態系・物質循環モデルに関しても改良の余地が多々国で世界と対等に極域研究を進めていくための重要な要あるが，このうちアイスアルジーについては Forum for

素となる。また，厳冬期のオホーツク海は砕氷船の訓練

Arctic Modeling and Observational Systhesis（ FA-

航海や寒冷環境下における砕氷船観測の課題の抽出に最MOS ）の枠組みにおいて初のモデル間相互比較が実施さ適の場所である。これまでと同様にオホーツク海やサロ，将来予測や南極も含めた比れ（ Watanabe et al., 2019 ）マ湖を利用して，極域に持ち込む前の新しい観測手法や較プロジェクト Ice Algae Model Intercomparison Proj-

測器の開発等のテスト観測を実施し，効率よく極域研究

ect Phase 2（ IAMIP2 ）に引き継がれている（ Hayashidaの進展を図るべきである。さらに，オホーツク海で今後

et al., 2021 ）。こちらも Multidisciplinary drifting Obser-

も継続的に季節海氷域の科学的知見を集めていくことは，

vatory for the Study of Arctic Climate（ MOSAiC; Ta-

地球規模で起きている海氷減少が，極域や亜極域の海洋

ble 1 ）や Biogeochemical Exchange Processes at Sea-

循環，物質循環や海洋生態系にどのように影響するのか

Ice Interfaces（ BEPSII ）などに代表される観測活動と密を理解する点でも大きな意味を持つ。

に連携していくことが重要である。加えて，3.1.4 節や最後に，研究基盤として重要な数値モデルについて述

3.2.2 節で提案したような，海氷を介した物質循環やプラ

べる。現在の極域海洋モデルにおいて重要でありながらンクトンの輸送過程の定量的理解をもとにモデルの精度

不確定性が大きいのは，積雪深，海氷厚と海洋亜表層のを高めていくことで，生態系・物質循環の理解や予測可熱輸送であり，これらに関する観測データ取得とそれに能性が進展することが望まれる。

基づいた海氷海洋結合モデルの改良の継続が必要であ

南極海においては，近年，棚氷と海洋循環の相互作用る。特に熱伝導率やアルベドが大きく異なる積雪と海氷に着目したモデル開発が急速に進んでいる（ Kusahara etをそれぞれ精度良く再現することが必須である。現状でal., 2017 ）。また西南極で氷床の底面融解が駆動する海洋は降雪量や積雪深の観測値が著しく少ないために，再解循環による鉄供給などの物質循環と生物生産プロセスを析データであってもばらつきが大きいため（ Uotila et al.,組み込んだ数値モデルが報告されている（ Twelves et al.,2019 ），再現性の向上は 3.1.3 節に記載したような観測網

2021 ）。今後，日本が重点的ターゲット海域としていると観測期間の拡充と合わせて進めるべきである。

東南極において，3.2 節で述べたような多分野連携観測に

数値モデルによる極域環境の予測精度向上のためによるプロセスの理解に基づいた氷床 海氷 海洋システム

は，「氷縁域」も重要なキーワードである。米国ではの数値モデルの開発を行うことにより，物質循環と生態

Marginal Ice Zone プロジェクトが立案され，北極 海系変動の定量的な理解や東南極の独自性や重要性の解明

ボーフォート海南部の氷縁域を対象とした集中観測がにつながることが期待される。

。重要なキャンペーン的に実施された（ Lee et al., 2012 ）海氷縁プロセスとしては海氷−波浪相互作用が挙げられ。波浪は氷る（ Williams et al., 2013; Roach et al., 2019 ）5. おわりに

盤崩壊を介して海氷縁後退を促進する要素となっており，極域は，気候変動によって大きく変化し，またその変

大気−海洋間の物質交換や表層混合層発達など多くの諸化が全球海洋や気候に影響を及ぼす海域である。その重現象とも絡んでいるが，これまで現場観測が著しく不足

要性を背景に，近年様々な観測研究プロジェクトが推進していたために定量的な解析が困難であった。日本ではされ，新たな知見が多く得られてきた。それでもなお，

ArCS/ArCS II プロジェクトの「みらい」北極航海にお極域の観測困難な環境ゆえに他の海域に比べてデータがいて，レーダーや波浪ブイなどを駆使した海氷と波浪の圧倒的に不足しており，諸現象のプロセスの理解もモデ

同時観測に着手した段階であり，この知見が蓄積するこル開発も不十分というのが現状である。このため，今後とで波浪モデルが改良されて北極海航路の利活用に深く進められるべき緊急性の高い研究が数多く残されている。

関わる海氷予測精度の向上にも大きく貢献することが期

2 節や 3 節で取り上げた研究課題の解決を目指した観測海洋学の 10 年展望 2021：極域の実施はもちろんのこと，各種データの充足と時空間的な分解能向上をモデル改良につなげることも必要である。
そのためには，4 節で提案した大型観測基盤以外にも，極域の環境に対応したセンサーや係留あるいは漂流観測装置の積極的な開発，改良，導入が望まれる。幸い我が国には，オホーツク海やサロマ湖など，新規手法や測器を
実際に海氷域でテストするのに適した場所もある。このように，極域海洋では，新たな海洋観測技術開発やデー

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海洋学を軸とした極域研究に新たな挑戦を試みる若手あ
るいは他分野の人材が多く現れることを期待する。

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川合・田村・渡邉・西岡・野村・真壁・溝端・安中

Decadal vision in oceanography 2021: Polar oceansMichiyo Yamamoto-Kawai 1＊, Takeshi Tamura 2, Eiji Watanabe 3, Jun Nishioka 4,
Daiki Nomura 5, Ryusuke Makabe 2, Kohei Mizobata 1, and Sayaka Yasunaka 3
Abstract
Future research challenges in polar oceanography for Japanese oceanographic community are
discussed. For both the Arctic and Southern Oceans, the key issues identiﬁed are transport ofheat and materials from lower latitude ocean regions, the role of sea ice in material transportand biological production, and processes in coastal areas. These topics must be understoodquantitatively to better predict future changes in the polar regions. In addition, we propose anovel ﬁeld campaign to observe ocean-sea ice-air ﬂuxes in early spring, and a comprehensive
study of ocean-sea ice-icesheet coupling for the Arctic Ocean and the Southern Ocean,respectively. For the future development of polar oceanography, we also propose new research
infrastructures such as submersible research vessels, submarine observation bases, and coastal
observation towers, as well as the use of the Sea of Okhotsk and Lake Saroma as a nearby
model polar ocean.

Key words: Arctic Ocean, Southern Ocean, sea ice/icesheet, land-ocean interaction,
Polar morning(Corresponding authorʼs e-mail address: michiyo@kaiyodai.ac.jp)(Received 15 July 2021: accepted 14 September 2021)(doi: 10.5928/kaiyou.30.5̲159)(Copyright by the Oceanographic Society of Japan, 2021)

1 Department of Ocean Science, Tokyo University of Marine Science and Technology, 4-5-7 Konan, Minato-ku, Tokyo
108-8477, Japan
2 National Institute of Polar Research，10-3 Midoricho, Tachikawa, Tokyo 190-8518, Japan
3 Research Institute for Global Change, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology，2-15 Natsushima-cho,
Yokosuka, Kanagawa 237-0061, Japan
4 Pan-Okhotsk Research Center, Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, 19N8W, Kita-ku, Sapporo,
Hokkaido 060-0819, Japan
5 Field Science Center for Northern Biosphere, Hokkaido University, 3-1-1 Minato-cho, Hakodate, Hokkaido 041-8611,
Japan* Corresponding author: Michiyo Yamamoto-Kawai
e-mail: michiyo@kaiyodai.ac.jp