地球環境研究,Vol.12(2010)埼玉県熊谷市の降水の酸素・水素安定同位体比の特徴
藪崎

志穂＊

キーワード：降水､ 安定同位体､ d-excess､ 熊谷市

１. はじめにじることが挙げられる｡ 水が蒸発するときには軽い安定同位体を含む水分子が選択的に蒸発するため､ 重い安定

我が国では降水は地下水や湧水､ 河川水等の起源とな同位体を含む水分子 (H2HO や H2 18O) は液相中に残留ることが多く､ その酸素や水素の安定同位体を地下水涵する｡ 一方､ 水蒸気が凝結する場合には､ 重い安定同位養過程や地下水流動などを把握する場合に利用すること体を含む水分子が先に凝結し､ 軽い安定同位体を含む水が有効とされており､ これまでに多くの研究で利用され分子は気相に留まる｡ こうした相変化はレイリー過程にてきている (たとえば､ 水谷・小田, 1983；小林ほか,従っている (大手, 2008)｡ この過程に従うことにより､1997；Yasuhara et al., 1997)｡ しかしながら､ 降水の大気中の水蒸気塊から連続的に凝結が生じるような一つ

酸素・水素安定同位体比は気温や降水量､ 雨をもたらすのイベント降水では､ 初期の降水ほど同位体比は高く水蒸気の起源など気象条件によって大きく変動するため､(重い同位体比が多く) なり､ 次第に降水の同位体比は年や月､ さらに細かくみればイベントごとに同位体比は低く (軽い同位体比が多く) なる｡ 従って､ 降水の同位かなりの違いが生じる｡ 従って､ 地下水流動の把握など体の雨量効果や高度効果が生じることとなる｡

においてより信頼性のある解析をおこなうためには､ 対酸素や水素の安定同位体比と気温との関係について､象とする地域の降水データを長期間観測することが望ま

Craig (1961) は寒冷地で同位体比が低くなることを示しい｡ 本稿では､ 熊谷市で採取した2007年４月から2009している｡ 一般的に気温と緯度には負の相関が認められ､年12月までの約３年間分の降水の酸素・水素安定同位体高緯度地域では同位体比が低くなることも認められてい比の特徴について示し､ 他の地域の降水の同位体比の特る｡ また､ Dansgaard (1964) は世界的規模での降水徴と比較した結果について報告する｡のδ18O やδD の年加重平均値と気温との関係を示し､それらには正の相関があることを明らかにし､ 温度効果

２. 降水の酸素・水素安定同位体比の特徴や緯度効果の存在を示唆している｡
一方､ 内陸効果であるが､ これは降水の起源が海洋の降水の酸素・水素安定同位体比の時間的・空間的変化

水蒸気と考えると､ 降水過程で初期の同位体比の高い降については､ いくつかの特徴が認められる｡ この特徴に水は沿岸部に降り､ 水蒸気が陸面を輸送されながら内陸は､ １) 降水量が多いと同位体比が低くなる (軽い同位へゆくに従い同位体比の低い降水が降るという現象 (レ体比が多くなる) 雨量効果 (amount effect)､ ２) 気温イリー過程) のもとに成り立っている｡ しかしながら､が低いと同位体比が低くなる温度効果 (temperature

水蒸気の輸送距離が長い場合には､ 降水の起源が海洋だeffect)､ ３) 高緯度地域ほど同位体比が低くなる緯度

けでなく､ 湖面などから蒸発した水蒸気も含まれている効果 (latitude effect)､ ４) 内陸部ほど同位体比が低場合があり､ 必ずしもこの法則が現実には成り立たない

くなる内陸効果 (continental effect)､ ５) 標高が高い場合もある｡

地域ほど同位体比が低くなる高度効果 (altitude effect)などがある (Clark and Fritz, 1997)｡

このような降水の安定同位体比の特徴を効果的に利用することにより､ 多くの地域で地表水や地下水の流動やこれらの効果の要因の一つとして､ 降水の起源となる涵養域の推定などがおこなわれている｡ 本研究はその基水蒸気が形成されるときの相変化に伴い同位体分別が生礎となるデータの集積を目標に実施し､ 併せて熊谷地域＊

立正大学地球環境科学部

121埼玉県熊谷市の降水の酸素・水素安定同位体比の特徴 (藪崎)にみられる特徴について論ずるものである｡

４. 結果・考察
４. １

３. 研究方法

降水の安定同位体比と d-excess 値の月変化

降水採取装置の採取量から計算した降水量と熊谷気象

次に､ 降水の採取方法や分析方法について示す｡ 2007

台の降水量データを比較したところ､ ほとんどの月で概年４月から､ 立正大学熊谷校舎 (埼玉県熊谷市) の屋上

ね１：１の直線上に乗っている (図１)｡ 従って､ 本論において月降水を採取し､ 現在も継続している｡ 降水採

文では採取量から計算により求めた値を降水量として用取に際しては､ 蒸発の影響を防ぐため､ 蒸発を防止するいている｡

構造を備えた降水装置を用いている (写真１)｡ 降水採

月降水量と月平均気温､ ならびに採取した月降水の酸取装置の受け口には直径12cm のロートを取り付けた｡

素安定同位体比 (δ 18 O)・水素安定同位体比 (δD)､採取時には EC､ pH の計測と併せて採取量も計測し､d-excess (＝δD-８×δ 18 O) の2007年４月から2009年計算によって月降水量を求めている｡ 採取した降水サン

12月の変化について図２に示した｡ 年降水量の平均はプルは100ml のポリエチレン製の容器に入れて冷暗所に1,232mm､ 年平均気温の平均は15.5℃である｡ 降水量はて保存し､ 一般水質および酸素・水素安定同位体分析を梅雨前線が発達する初夏と秋雨前線や台風の影響を受けおこなった｡ 酸素・水素安定同位体分析は､ 前処理装置

る秋季に相対的に多く､ 冬季は少ない傾向があらわれてを用いて水サンプル１ml と液化炭酸ガスあるいは水素いる｡ 月平均気温は夏季には30℃近くまであがり､ 冬はガスとそれぞれ同位体平衡にさせた後､ 立正大学地球環０℃を下回ることは少ない｡ また､ 観測した期間におい境科学部環境システム学科に設置されている安定同位体ては､ 降雪はほとんど確認されていない｡

質量分析装置 (DELTA plus, Thermo Fisher Scien-酸 素 安 定 同 位 体 比 ( δ 18 O) と 水 素 安 定 同 位 体 比tific) により分析をおこなった｡ 値は標準平均海水から(δD) の変化をみると､ どちらも同じような変動を示の千分率偏差 (δ値) として次式であらわしている｡

しているが､ 季節的な変化は顕著には認められていない｡

 ‰18
1816

ここで､ δはδ O あるいはδD であり､ R は O／ O
2

δ18O では−17.15〜−5.47‰､ δD では−121.5〜−29.9‰と非常に大きな変動幅を示しているが､ これは2007年10月の同位体比データが非常に低い値を示しているためあるいは D／H ( H／H) を示している｡ sample は測であり､ この月のデータを除くと､ おおよそδ18O では定するサンプル､ STD は標準試料であり､ 酸素と水素−10〜−５‰､ δD は−75〜−30‰の変動幅となっての同位体の場合は標準平均海水 (V-SMOW) である｡

いる｡ 場所にもよるが､ 湧水や地下水では同位体比は年18

測定精度は､ δ O で±0.05‰､ δD で±0.5‰である｡

間を通じてほぼ一定している場合が多く､ 河川水の場合

なお､ 降水量､ 気温の気象データは熊谷気象台で観測されたデータを利用した｡

図１
写真１

122

降水採取装置降水採取量から求めた降水量と気象台の観測値との比較

地球環境研究,Vol.12(2010)

年と短いことも影響していると思われる｡ 次に気温とδ 18O・δD のデータについてみると､ こちらも特に相関は認められていない｡ 気温が低いとδ18O やδD が低くなる温度効果が観測される地域もあるが､ それらは比較 的 高 緯 度 地 域 で み ら れ る 現 象 で あ り (Clark andFritz, 1997)､ 日本のような中緯度地域の降水の安定同位体の場合は､ 気温と降水量の双方の影響が混ざりあっているため､ 気温と同位体比にはあまり強い相関があらわれていないと考えられる｡
d-excess 値の場合は､ 夏季に低く冬季に高いという季節変化が明瞭に示されている｡ これは降水の源となっている水蒸気の起源と深く関係している｡ 関東地方では､夏季には太平洋側の気団が､ 冬季には日本海側の気団による降水が卓越している｡ 乾燥している条件下では蒸発の速度が速くなり､ 生じた水蒸気の d-excess 値は相対的に高い値となる｡ 一方､ 比較的湿潤な条件下では蒸発速度が緩やかであり､ 生じた水蒸気の d-excess 値は相対的に低くなる｡ このメカニズムは早稲田・中井(1983) によって報告されている｡ こうしたことから､日本海側起源の水蒸気では d-excess 値が高くなり､ 太平洋側起源の水蒸気の d-excess 値は低くなる｡ 図２の
図２

熊谷市の月降水量､ 月平均気温､ 降水の
δ18O､ δD､ d-excess 値

d-excess 値の結果から､ 熊谷の降水では夏季には太平洋側起源の水蒸気が卓越し､ 冬季には日本海側起源の水18

でもδ O は１‰以下､ δD でも数‰程度しか変化しな蒸気が卓越していることが示唆される｡ また､ ９月〜10いことがほとんどであり (たとえば､ 水谷・佐竹, 1997；

月と３月〜４月ごろに d-excess 値が急激に変化する傾藪崎, 2009)､ こうした結果と比較しても降水の同位体向があるため､ これらの時期に卓越する気団が変化する比の変動は大きいということがいえる｡と考えられる｡ このような降水の d-excess 値の明瞭な2007年10月の同位体比が他の月と比較して非常に低い

季節変化を利用することにより､ 地下水や河川水､ 土壌値となっている原因として､ 台風の影響が考えられる｡

水などが主に涵養されている時期の推定をおこなうこと

2007年10月26日〜28日にかけて､ 台風20号 (0720) が太も 可 能 と な る ( 水 谷 ・ 佐 竹 , 1997 ； 藪 崎 ・ 田 瀬 ,平洋を北上しながら日本列島に接近し､ 熊谷の気象デー

2007)｡

タによると26日では10mm､ 27日では76.5mm の降水量

2007年４月から2009年12月までの同位体データに降水が観測された｡ 短時間で非常に多くの降水が生じる台風

量の重みづけをおこない加重平均値を求めたところ､の同位体比は相対的に低くなる傾向があることが観測さ

δ18O は−8.6‰､ δD は−55‰となった｡ 関東地方の周れており (藪崎・田瀬, 2004)､ 熊谷の2007年10月の降

辺の値をみると (いずれも1992〜2006年データ)､ 茨城

水でも台風の影響によって同位体比が非常に低い値を示

県つくば市ではδ18O は−7.9‰､ δD は−51‰､ 埼玉県していると考えられる｡

小川町ではδ18O は−8.6‰､ δD は−55‰､ 栃木県宇都δ18O およびδD と降水量のデータをみると､ 明瞭な宮 市 で は δ 18 O は − 8.2 ‰ ､ δ D は − 54 ‰ で あ る

相関は認められない｡ 一般的に降水量が多くなると(Yabusaki et al., 2010)｡ つくば市や宇都宮市の値と比18

δ O やδD は低くなる雨量効果が確認されているが､較すると熊谷市のほうがやや低い値となっているが､ 小

これはイベント降水 (ひと雨ごとの降水) の測定をした川町とはほぼ同じ値を示している｡ 気温や降水量なども場合に特に顕著に表れており (藪崎・田瀬, 2005)､ 月

考慮して考察をおこなった結果､ これらの同位体分布は降水になると幾つかのイベント降水が混合するため雨量海岸からの距離 (内陸効果) が影響していると考えられ効果の影響は少なくなると考えられる｡ 観測期間が約３る｡ このように降水の同位体比の分布を示すことにより､123

埼玉県熊谷市の降水の酸素・水素安定同位体比の特徴 (藪崎)

降水の起源である水蒸気の輸送過程などを把握することロットした｡ 地下水サンプルの同位体比は４月〜９月のも可能であるが､ 水蒸気の起源などをより詳細に示すた

夏季の降水の同位体比に近い位置にプロットされている

めには他の地点の同位体データや降水量､ 気温､ 標高､ことから､ 相対的に夏季の降水による涵養の割合が多い風向などとの関係など､ さらに細かい観測を行う必要がと推定できる｡ このように､ δ−ダイアグラム上に地下ある｡

水や湧水､ 河川水などのデータをその地域の天水線と共にプロットすることにより､ 涵養時期の推定や他の水の４. ２降水のδ−ダイアグラムとの混合の可能性､ 地下水流動系を把握することができ

18降水のδ O とδD の値を用いてδ−ダイアグラムを示したところ､ データはほぼ直線に沿うようにプロットる場合もあり､ 水循環を考える上で非常に有効的な方法の一つである｡

されており､ 熊谷市の天水線 (回帰線) はδD＝7.4
δ 18 O＋9.6 (r2 ＝0.868) となった (図３)｡ 世界の天水線の平均はδD＝８δ 18 O＋10となることが示されてお５. まとめり (Craig, 1961)､ 熊谷市の降水もほぼ Craig の天水本稿では2007年から2009年まで熊谷市で採取した月降線と近い値を示していることがわかる｡ 関東地方の周辺水の酸素・水素安定同位体比の特徴について示した｡ 今地域の降水の安定同位体データ (いずれも1992〜2006年

回の結果では､ 降水の同位体比には気温や降水との相関18データ) をみると､ 茨城県つくば市ではδD＝7.5δ O2化が認められた｡ この d-excess 値の季節変化を利用し18て､ 周辺の地下水などの涵養時期を推定することができ＋10.4 (r ＝0.881)､ 埼玉県小川町ではδD＝7.6δ O＋2は認められなかったが､ d-excess 値には明瞭な季節変

1810.7 (r ＝0.923)､ 栃木県宇都宮市ではδD＝7.4δ O＋28.9 (r ＝0.881) と な っ て い る (Yabusaki et al. ,ると考えられる｡ また､ 台風による多量の降水が生じた

2010)｡ 天水線の傾きや切片には若干の違いがあるものときの同位体比は相対的に低い値となっており､ 土壌水の､ これらの地域の降水ではほぼ同じ天水線を示していの鉛直方向での挙動を考察する際に､ こうしたときの値ることがわかる｡ また､ 夏季 (４月〜９月) と冬季 (10を指標として涵養時期や浸透速度などを推定することも月〜３月) で同位体比を分けると､ 夏季のデータは相対できる｡ 降水の同位体比は気象条件等によって異なるた的に天水線よりも下に､ 冬季のデータは天水線よりも上

め年月によって大きく変化し､ 長期間の変動をみると､側にプロットされる傾向が顕著にあらわれている｡ これ

気温の上昇に伴い同位体比も変化する傾向が認められる｡

は､ 4.1で述べたように冬季の降水は日本海側の気団の水循環や温暖化の影響などを把握するためにも､ 今後も影響を強く受け､ 夏季は太平洋側の気団の影響が強く受調査・観測を継続してゆくことが重要であると考えられけていることに起因している｡

る｡

図３には熊谷市内で採取した深層地下水のデータもプ
謝辞

本論文の査読者の方には細部にわたり有益なご指摘を頂きました｡ また､ 本研究を進めるにあたり､ 平成20年度立正大学石橋湛山記念基金の助成を受けました｡ ここに記して御礼申し上げます｡

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図３124

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