航空機を利用した温室効果ガス観測
Aircraft observation for atmospheric greenhouse gases
町田 敏暢

＊

Toshinobu MACHIDA＊

国立研究開発法人 国立環境研究所 地球システム領域
Earth System Division, National Institute for Environmental Studies

摘要

大気中の温室効果ガスの観測における航空機の利用について，国立環境研究所の地球環境研究センターが航空機モニタリングとして実施しているシベリア上空の観測と，日本航空が運航する民間航空機を利用した CONTRAIL プロジェクトについて紹介する。シベリアでの観測は 1990 年代の観測黎明期に始まりロシアならではの苦労も多くあったが，それゆえに今に至っても周辺には他の観測が存在せず，世界の温室効果ガス観測網の中で極めて重要な位置付けになっている。チャーター機を使ったシ
ベリアでの観測は頻度に限界があったが，民間航空機は観測回数と観測範囲を飛躍的に向上することができる，世界に先駆けた研究プロジェクトである。本稿は両プロジェ
クトの歴史や成果の一部を簡潔にまとめたものである。

キーワード：鉛直分布，温室効果ガス，シベリア，チャーター航空機，民間航空機
Key words：vertical distribution, GHG, Siberia, chartered aircraft, commercial aircraft
1．シベリア上空の航空機モニタリング
1.1 大型航空機を用いた空間分布観測
1990 年 10 月 に 発 足 し た 国 立 環 境 研 究 所（環 境研 ）の 地 球 環 境 研 究 セ ン タ ー（Center for Global
では，地球環境モニ
Environmental Research: CGER）
タリングの一環として，シベリア上空における航空機を使った大気中温室効果ガスのモニタリングを実施することとした。ロシア共和国のシベリア域にはタイガとよばれる広大な森林地帯があり，光合成や呼吸の活動を通じて大気中の二酸化炭素（CO2）濃度の変動に大きな影響を及ぼしている。また，大気中
メタン（CH4）の最大の自然発生源は湿地であるが，西シベリア低地は世界最大規模の湿地帯を有しており，大気中 CH4 の地球規模循環にとってもシベリアは重要な地域である。さらに，シベリアは北半球高緯度に位置するために地球温暖化の影響が顕著に表れるとされており，東シベリアに広がっている永久凍土の融解が進行すれば，凍土層に含まれている高濃度の CO2 や CH4 を含んだ気泡からの空気放出や土壌有機物の分解による CO2 や CH4 の放出が促進される可能性がある。永久凍土地帯でなくても上述の森林地帯や湿地帯においても気温上昇による CO2
や CH4 の自然放出が増加することが考えられる。このように，シベリアは地球上の温室効果ガス循環の解明や温暖化の影響を監視する上で極めて重要な地域であるが，1990 年代初頭のロシア共和国はソビエ
ト連邦が崩壊した直後で経済が停滞しており，地球環境研究に費やす予算や人的資源は限られていたため，この地での大気中温室効果ガスの系統的な観測は存在していなかった。
CGER では，CO2 や CH4 の非常に強い放出源や吸収源が不規則に分布するシベリア域において包括的な情報を得るために，ある程度混合された空間代表
性のある上空の大気を航空機を用いて観測する計画を立案した。航空機観測においては，その鉛直分布
から地表の放出源・吸収源の強度を推定し，水平分
布から放出源・吸収源の地理的分布を推定することを最初のターゲットとした。
ロシアで航空機観測を実施するにあたっては，現地での共同研究機関（さらには借りられる航空機）を探し出すことに困難を極めたが，当時環境研の共同研究員であったシャミル マクシュートフ氏（後の環境研の物質循環モデリング解析研究室長）の紹介で，モスクワ郊外にあるロシア中央大気観測所（Central
Aerological Observatory: CAO）の協力を得ることができた。CAO は観測専用の航空機としてイリュー
シン 18 型機（IL-18）を所有しており，気象専門の研究者ばかりでなく，航空機のパイロットやメカニッ
クを有する観測チームが存在していた。IL-18 は 4 発のターボプロップエンジンを備えたプロペラ機であり（図 1），開発は第二次世界大戦直後と古くはある

受付：2021 年 11 月 11 日，受理：2021 年 12 月 27 日＊
〒 305 - 8506 茨城県つくば市小野川 16 - 2，E-mail：tmachida@nies.go.jp
2021 AIRIES37

p037-046-町田-cc2020.indd

372022/04/07 木曜日

16:01:56

町田：航空機を利用した温室効果ガス観測

図1

観測に使用したイリューシン 18 型機．

（写真提供：萩原富司氏）

が，60 席ほどの客席を配置できる広さがあり，多種の観測装置を搭載して飛行することが可能であった。
CGER 航空機モニタリングの記念すべき初観測は，1992 年 7 月に実施された。日本から輸送された大量の観測装置は，モスクワのシェレメチボ空港にて IL-18 へ搭載された。どの国であっても外国での作業の実施には困難が伴うが，当時のロシアは物資が極端に不足しており，ネジ 1 本でも不足を補うことが容易ではなかったと聞く。IL-18 は 7 月 10 日と14 日にモスクワ上空にて試験飛行を行なった後，16 日にモスクワを発ち，チュメン，ハンティマンシ
スクなどの西シベリア上空や，ヤクーツク，チクシなどの東シベリア上空での観測を終え，25 日にモスクワに帰還した。この飛行での観測項目は，ロシア側の気象観測に加え，CO2 濃度，CH4 濃度，金属フラスコやガラスフラスコへの大気サンプリングによる温室効果ガスが主な項目であった。CGER としては初めての経験であり多くのトラブルがあったが，世界でも例を見ないシベリア上空での観測飛行を無事に終え，東西シベリアでの CO2 濃度差や地上で発生した CH4 の上空への輸送などの素描を掴むことができた。著者は当時大学院生であったが，この飛行に参加した同じ大学の教諭と同僚から苦労話を聞かされ，「大変な観測があるものだ」と人ごとのように思っていた記憶がある。
翌 1993 年に図らずも環境研のメンバーとなった
著者は，人生初の海外経験をシベリアの地で迎えることになった。この年のシベリア航空機観測は物資調達の便宜を優先して，観測装置の航空機への搭載を日本の空港で行うことにした。空港の駐機場やサポートする整備会社の関係から，仙台空港が最適との結論になり，IL-18 が仙台にやってきた。仙台空
港では航空機が出発する際のプッシュバック（航空機を駐機場から誘導路まで専用車を使って押し戻す
作業）に使う器具のうち IL-18 に合うものを所持していなかった（おそらく日本のどの空港にもなかった）
ので，空港側では IL-18 の駐機場所を特別に確保し，プッシュバックなし（前進のみ）で出発できるよ
う航空機の誘導線（イエローライン）を新たにペイン
トするという前例のない措置によってこの計画が実現した。この年は CH4 濃度連続測定装置，CH4 同位
体用サンプリング装置，地上からエアロゾルを測定するためのライダーなど新たな観測機器を持ち込んだ。装置を満載した IL-18 はエンジン全開で真っ黒な排気ガスを吐きながら仙台空港の滑走路端ぎりぎ
りでようやく離陸し，シベリアに向けてゆっくり飛び立っていった（見送り者の談）。IL-18 はシベリア極
東の玄関口であるハバロフスク空港にて税関チェッ
クを済ませ，まずは西シベリアのニジェノバルチフ
スク空港を拠点に湿地周辺の観測を行い，次いで東シベリアのヤクーツク空港を拠点に森林地帯の観測を行った。ヤクーツクはモンゴル系のヤクート民族が人口のおよそ半数を占めている。西シベリアの各
都市ではロシア系の人とばかり会ってきたので，ヤクーツク空港に降りたときには日本人として自然と親近感を持ったことを覚えている。また，ヤクーツ
クの街を歩いている際にロシア人から道を尋ねられたこともある。「私は日本人です」と答えてやり過ごしたが，それほどヤクート民族と日本人は（ロシア系の方から見れば）似ている。
IL-18 は古い機体であるがパイロットの腕は確かで，森林地帯で光合成の影響を受けた空気を直接観測するために，わずか 100 m ほどの低高度での飛行も実現してくれた。この高度になると木々を「横から」眺めることになり，航空機の窓から見える景色の流れは日頃から新幹線で見ている風景に近く，不思議な感覚であった。夏季のシベリアは，暖められた地表面によって上昇気流が発生し，地上付近では乱流となるので，低高度の飛行を行うと機体の揺れが激しかった。1 日の飛行を終えるとメンバー一同はぐったり疲れてしまい，食欲が落ちる日も多かった。
1994 年にはこれまでの経験を踏まえ，一部の観測装置を刷新し，再びモスクワでの装置搭載を行って，西シベリアと東シベリアの観測を実施した。これら 3 年間の観測からはシベリア上空における CH4
濃度の空間分布（Tohjima et al., 1997）ばかりでなく，
西シベリアの油田地帯からの化石燃料起源 CH4 の放出（Tohjima et al., 1996），同位体測定から明らかにし（Sugawara et al., 1996），フラス
た CH4 の放出源推定
コサンプリングで得られたシベリア上空の CO2，
CH4，亜酸化窒素（N2O），一酸化炭素（CO）及び CO2の安定同位体の 3 次元分布
（Nakazawa et al., 1997）
など，興味深い研究結果が出ている。
1.2 航空機を用いた高度別の定期観測
ここまでの航空機観測では夏季における温室効果
ガスの空間分布の調査に主眼を置いていたが，温室効果ガスの本質的な動態を把握して全球循環における役割を理解するには，その地での経年変動や季節38

p037-046-町田-cc2020.indd

382022/04/07 木曜日

16:01:57

地球環境 Vol.26 No.1&2

変動を捉えることが不可欠であり，そのためには長期的かつ定期的な観測を行う必要がある。そこでロシア中央大気観測所（CAO）と協力してシベリア上空における定期的な航空機観測を立ち上げることとし，1993 年のキャンペーン観測中のニジェノバル
チフスク滞在中に西シベリアのスルグート空港を訪問して準備を行った。スルグート空港にはプロペラエンジン 2 発を備えた中型のアントノフ 24 型機（AN-24）があり，この航空機であれば比較的低予算
でチャーターすることが可能であった（当時日本で小型のセスナ機をチャーターするための予算に近かった）。AN-24 は最高到達高度が 7,000 m ほどであり，対流圏の上部まで観測が可能な優秀な機体である。旅行用のスーツケースに収納した 16 本のガラス製の小型フラスコを AN-24 機内に持ち込み，
7,000 m から 500 m までの 8 種の高度帯においてそれぞれ 2 本ずつの空気試料をサンプリングすることに成功し，シベリアでの温室効果ガスの定期観測がスタートした。1993 年 7 月のことであった。2 回目の観測は 1993 年 9 月に行い，ここまでの飛行でオペレーションに問題がないことが確認できたので，
10 月の 3 回目の観測からは現地でのサンプリング
作業は全てロシア人スタッフにお願いすることとし，西シベリアのスルグート上空における航空機観測を定常化できた。飛行空域は厳密には定めず，当日の風向を考慮してスルグート市（北緯 61 度，東経73 度）の風上周辺域を基本とした。
空気採取による観測はサンプル容器の輸出入に大きな困難を伴うが，ロシアの税関手続きを含めた
CAO の尽力がこの後の長期観測の成功につながる
大きなきっかけになった。当時の環境研には温室効
果ガスの分析を行う装置が完成していなかったため，ロシアから届いたサンプルは東北大学に送付して同大学が CO2，CH4，N2O，CO の各濃度及び CO2
同位体の分析を担当した。スルグート上空の大気分
析は 2005 年 3 月より環境研が担当することになり，濃度分析項目も温室効果ガスである六弗化硫黄（SF6）と関連ガスである水素（H2）が加えられた。スルグー
トは湿地帯であり大規模な森林は存在していない
が，夏季の地表植生の光合成活動による CO2 吸収が非常に大きいことを反映して低高度における CO2 濃
度の季節振幅が 20 ppm 以上になり，同じ緯度帯の沿岸地域での振幅に比べて極めて大きいことがわかった。これまで地球上の CO2 濃度の変動は同じ緯度帯であればほぼ同じ挙動を示すと近似されてきたが，大陸内部では経度方向に大きな不均一があることが明らかになってきた。
スルグート上空の観測はロシア中央大気観測所（CAO）による協力が 20 年以上にわたる 2016 年まで続いたが，CAO の後継者の問題でいったん打ち切りになった。その後，モスクワにある微生物研究所（Institute of Microbiology: IMB）の協力で，スルグー

37 – 46（2021）

トにおいて中型のセスナ機をチャーターすることが可能になり，2018 年より高度 4,000 m までの観測を再開し，現在に至っている。
スルグートは湿地帯であったが，森林地帯上空での温室効果ガスの長期的な挙動を明らかにするために，同じ西シベリアのノボシビルスク（北緯 55 度，
東経 83 度）周辺における航空機観測を 1997 年 7 月に開始した。ノボシビルスクの空港には，近くのトムスクにある大気光学研究所（Institute of Atmospheric
Optics: IAO）が大気観測に利用しているアントノフ
30 型機（AN-30）があるので，IAO と共同でこれを定期運用することにした。AN-30 には IAO によって既に多くの観測装置が搭載されていると共に，外気を吸引するための空気取り入れ口や装置の電源も確保されており，我々の観測立ち上げには大きな助けとなった。何より毎月のフライトにエアロゾルの観測分野では経験豊富な IAO の研究者や技術者が搭乗してくれるので，質の高いサンプリングを安心して任せられることとなった。IAO と環境研とはその後も緊密な関係を維持できており，ノボシビルスク上
空での観測自体は現在も継続している。しかしながら，利用する航空機は，AN-30 の所有会社が倒産したことで，2011 年 3 月よりジェットエンジンを備えたテュポレフ 134 型機（Tu-134）に切り換え，さらにこの機体の老朽化に伴い 2017 年 10 月からはヤク
40 型機（Yak-40）によって観測を維持している。
シベリアは広大である。西シベリアの様子がわかってきたところで，次は，東シベリアにおける温室効果ガスの変動を知るために，ヤクーツク（北緯62 度，東経 130 度）上空での航空機観測を立ち上げることになった。ヤクーツクでの協力機関は永久凍土研究所（Permafrost Institute: PI）であった。ヤクー
ツクは永久凍土地帯にあるので，PI は凍土について
世界第一線の研究所である。PI の建物の地下は永久凍土層を利用した天然の冷凍保存庫があり，近傍で発掘された冷凍のマンモスを見学することができた。
しかしながら PI には大気光学研究所
（IAO）
のよう
な観測専用の航空機はなく，航空機に搭乗して観測を行った経験の持ち主もいなかった。そこで民間の航空機を利用するために，PI の紹介でヤクーツク空
港に行き，定期運航便を利用させてくれる航空会社
を 1996 年に探し出した。本来なら装置の搭載には相当な手続きが必要であるが，PI の努力によって航空会社の許可を得ることができた。当時のロシアでなければ，このような観測は実現しなかったであろう。ここでの観測は定期運航便であるので観測者は搭乗できず，自動の大気サンプリング装置を開発
して航空機がヤクーツク空港を離陸する際の高度500 m から 5,000 m までの間の 6 高度の空気を採取することにした。使用した航空機はスルグートのチャーター機と同じ AN-24 型機であった。ヤクー
39

p037-046-町田-cc2020.indd

392022/04/07 木曜日

16:01:57

町田：航空機を利用した温室効果ガス観測

ツクにおいてはこの観測とは別に森林直上の低高度での観測を行うために小型の双翼機であるアントノ
フ 2 型機（AN-2）をチャーターして高度 100 m から
3000 m までの観測を 2000 年に開始した。AN-2 では手動の空気採取方法を採用して PI の研究者が航空機に搭乗した。AN-24 での自動サンプリングは 4 年
ほど実施することができたが，航空会社の倒産によって観測は打ち切りになり，その後は AN-2 のみの低高度での観測を続けることになった。2008 年になると中型の L-410 型機によって高度 5,000 m までの観測を再開することができたが，こちらも運航会
社の倒産でわずか 2 年で観測が終わってしまった。
その後別会社の AN-2 機による観測が 2010 年から2014 年まで続いたが，担当者の変更によって長く続いた永久凍土研究所（PI）との協力関係が打ち切りになってしまった。東シベリアでの観測中断は世界の温室効果観測網にとっても痛手であるので，後継となる共同研究機関を探し，2017 年よりヤクーツクにある凍土地域生物問題研究所（Institute for
Biological Problems of Cryolithozone: IBPC）の 協 力によって AN-2 を使った定期サンプリングを再開
し，現在に至っている。IBPC は森林生態系の研究者がヤクーツク近郊の森林内に観測タワーを有しており，タワー上での空気サンプリングも参考観測として定期的に実施している。スルグート，ノボシビ
ルスク，ヤクーツク上空における観測用航空機の変遷を図 2 に示す。
シベリア航空機モニタリングの観測結果は，鉛直分布の長期変動から導き出した西シベリアとヨーロッパからの CH4 放出の寄与の推定（Sasakawa etal., 2017），CH4 の同位体比観測による湿地と天然
ガ ス か ら の CH4 放 出 の 季 節 変 化（Umezawa et al.,2012）
，スルグート観測値の CO2 フラックス推定における誤差軽減（Maksyutov et al., 2003）のほか，インバースモデルによる CO2 や CH4 のフラックス推
定（Saeki et al., 2013; Kim et al., 2011 など）等の研究
成果が生まれている。また，N2O の成層圏による寄与（Ishijima et al., 2010）や，SF6 の全球循環の解明（Gloor et al., 2007）にも利用されている。さらに CO2
フラックス推定における航空機観測の重要性を述べた研究（Stephens et al., 2007）でもスルグートの観測が貢献している。AN-2 機での高頻度観測による大気境界層近傍の CO2 濃度の挙動を明らかにした関連研究（Sasakawa et al., 2013）もこのモニタリングを基盤としている。シベリア航空機観測結果は，町田ら（2010）で要約的に紹介されている。
2．民間航空機を利用した温室効果ガス観測
2.1 なぜ民間航空機なのか
地球規模での温室効果ガスの循環を理解するための観測網は未だに十分ではなく，特に上空の観測は地上に比べて極めて不足している。上述のシベリアの 3 カ所における定期的な航空機モニタリングは非常に貴重で有益であるが，航空機をチャーターするには高額な予算が必要であるので，観測頻度や観測範囲を向上させるには限度がある。これに対して，
民間航空機は大気環境の調査を行うにあたって極めて魅力的な観測プラットフォームであるが，民間航空機に搭載する機器には厳しい安全基準が適用されるため，大気観測に応用するには克服するべき課題が少なくなかった。
そのような状況の中で日本は温室効果ガス観測における民間航空機の活用について，世界をリードしてきた。古くは東北大学が 1979 年に当時の東亜国
内航空の協力を得て，仙台－福岡間のフライトにおいて，サンプリング法による CO2 濃度の定期的な観測を始めた。東北大学の日本上空におけるフラス
コ観測はその後日本エアシステム，続いて日本航空
Japan Airlines（JAL）へと引き継がれ，現在でも継続している世界でも類のない上空における長期観測である。東北大学は 1984 年から 1985 年には JAL の協力で，成田－シドニー及び成田－アンカレッジ間の国際線でもフラスコサンプリングによる CO2 観測を実施した。この中でも特に，シドニー－成田－アンカレッジ間のデータは高度 10 km 付近における

1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 年
9 9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
9 9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2
3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

図2シベリア 3 地点上空における定期観測で使用した航空機の変遷．

40

p037-046-町田-cc2020.indd

402022/04/07 木曜日

16:01:57

地球環境 Vol.26 No.1&2

CO2 濃度の緯度分布を初めて示した観測であり，世界でも非常に高い評価を得ていた（Nakazawa etal., 1991）。わずか 2 年の観測期間で終わってしまったこの観測は 1993 年に気象研究所（MeteorologicalResearch Institute: MRI）
，JAL，日航財団（現在の JAL財団）の共同事業として成田－豪州間で再び立ち上
がった。このプロジェクトでは自動大気サンプリン
グ装置（Automatic Air Sampling Equipment: ASE）を新たに開発し，厳しい環境試験を経て搭載承認を得ることによってボーイング 747-200 型機への搭載を成功させた。1980 年代は手動でのサンプリングであったものが自動装置に代わったことで長期の観測につながった。2000 年代に入ると，ここで使用していたボーイング 747-200 型機の退役が迫り，新たな観測が模索されていた。
2.2 CONTRAIL プロジェクトの立ち上げ
2000 年代の JAL の長距離便の主役は新型のボーイ
ング 747-400 型機に移りつつあり，新たに ASE を
747-400 型機に搭載するための承認を取得する必要に迫られていた。この時はこれまで使っていた ASE
で搭載承認を取得することも考えられたが，同じ苦労をするなら新しい観測機器を開発しようという機運が盛り上がり，環境研と航空機部品メーカーである株式会社ジャムコがメンバーに加わって 2003 年
より新プロジェクトが立ち上がった。新プロジェ
クトは，後に CONTRAIL（Comprehensive Network
for Trace Gases by Airliner）
プロジェクトと呼ばれることになり，旧型 ASE を発展させた改良型 ASE を開発するとともに，機上で CO2 濃度を連続測定するを装置（Continuous CO2 Measuring Equipment: CME）
新たに開発することになった。
自動サンプリングを行う ASE は 2 つのユニット（ASE-1 と ASE-2）から構成され，それぞれのユニッ
トに内容積 1.7 L のチタン製フラスコが 6 本ずつ備えられている。旧型 ASE はフラスコへの大気充填がタイマーで制御されていたが，改良型 ASE では
航空機の位置情報を取り込んで動作する仕組みにした。これによって飛行前にあらかじめ設定した位置
で確実にサンプリングが行えるようになるとともに，航空機の上昇または下降時に鉛直分布を観測するためのサンプリングを行うことも可能になった。
空気サンプルの分析項目も，これまでの CO2，CH4，
CO に加えて，N2O，SF6，H2 の各濃度と CO2 と CH4の同位体比まで増えて，多種の温室効果ガスやその関連気体の循環を知る手がかりになると共に，CO2と CH4 については同位体比の情報によってそれぞれのガスの吸収源・放出源の情報をより確かに知ることができるようになった。
CME は航空機に搭載されたままずっと CO2 濃度を測り続けることができるので，水平飛行時中に上空における CO2 濃度の緯度分布や経度分布を観測できるばかりでなく，航空機の上昇・下降時に CO2 濃

37 – 46（2021）

度の鉛直分布を測ることができる。鉛直分布のデー
タは観測地点付近でその時期 CO2 が吸収されているのか，放出されているのかを知る有力な手がかりとなる。CME は一端搭載されると約 2ヶ月の間，自動で観測を行うので，ほぼ毎日観測ができることにな
る。チャーター機で行う観測頻度に比べると，これは飛躍的な進歩である。また，観測領域も JAL が運航を行っているヨーロッパ，北米，中米，ハワイ，
東アジア，東南アジア，豪州と非常に幅広くなる。
特にアジア域は世界の CO2 観測網の中でも「空白域」と呼ばれており，地上観測も少ない地域である
ので，そこで CO2 濃度の鉛直分布まで得られることは大変意義深いものである。
改良型 ASE と CME は民間航空機に搭載するための非常に厳しい環境試験（高温・低温試験，高圧・低圧試験，振動試験，加速度試験，電磁ノイズ試
験，耐水試験，その他多種の試験）を乗り越えて，
ボ ー イ ン グ 機 の 製 造 国 で あ る 米 国 の連邦航空局（Federal Aviation Administration: FAA）
及び日本の国
土交通省航空局（Japan Civil Aviation Bureau: JCAB）
から 747-400 型機に搭載するための追加型式承認（Supplemental Type Certificate: STC）を 2005 年末に取得した。CME と ASE は航空機の貨物室に搭載される。観測に必要なサンプル大気はジェットエンジ
ンから取り込まれるエアコン空気を利用する。貨物室にあるエアコンダクトに CME，ASE それぞれの大気取り入れ口を設け，ステンレス製の配管を使って両装置まで空気を引き込む。エアコン空気は最終
的に客室空気と混合され再循環する設計になっているが，本観測では客室空気の汚染を避けるために，
再循環部より十分に上流に大気取り入れ口を設置している。CONTRAIL では翌 2006 年に次世代の航空機であるボーイング 777-200ER 型機に CO2 濃度を連続観測する CME を搭載するための STC を新たに取得した。この時点で JAL は 2 機の 747-400 型機に CME と ASE を搭載するための改修を，3 機の777-200ER 型機に CME を搭載するための改修を終え，合計 5 機で CONTRAIL の本格運用が始まった（Machida et al., 2008）。
747-400 型機は燃費効率の関係から 2010 年に 2 機とも退役することになってしまったが，2011 年に
777-200ER 型機にフラスコサンプリング装置 ASE を搭載するための STC を取得し，2 機の 777-200ER 型
機を改修することによって再び CME と ASE の両装置での観測を継続できた。その後，2012 年から2014 年にかけて，5 機の 777-200ER 型機を改修して 8 機体制での観測が始まった。777-200ER 型機は中型機であるので，時代と共に長距離便での使用が減っていった。そこで 2015 年に，より大型のボー
イング 777-300ER 型機で CO2 濃度を連続観測するた
めに CME を搭載するための STC を取得し，2016 年
までに 2 機の機体を改修することによって米国東海
41p037-046-町田-cc2020.indd

412022/04/07 木曜日

16:01:58

町田：航空機を利用した温室効果ガス観測

岸までの長距離観測も可能となり，10 機でのプロ
ジェクト実施体制となった。CONTRAIL プロジェク
トで使用した航空機の変遷を図 3 に示す。
2.3 ASE によるサンプリング観測の成果の例
図 4 は新旧の ASE 観測値を統合し，上部対流圏（高度 10 km 付近）における 20 年間の CO2 データを12 個の緯度帯に区分して，季節変動を含む濃度変動と長期トレンドを解析した結果である。新旧の観測結果は，航空機の違い（747-200 と 747-400），サン
プリング装置の違い（旧型 ASE と改良型 ASE），分析装置の違い
（旧観測は気象研究所，新観測は環境
研で分析）があるにもかかわらず，新旧観測が入れ替わる 2005 年 11 月～12 月前後の長期トレンドの連続性についてどの緯度帯でも継続した濃度上昇傾向に目立ったギャップはなくスムースに連結している

ことがわかる。北半球の上空における CO2 濃度の季
節変動の振幅は地表付近に比べて小さくなっているが，高緯度に行くほど振幅が大きい傾向は地表での観測結果と同様である。長期的トレンドから CO2 の増加速度を算出すると，約 1 ppm/年から 3 ppm/年の大きな変化が認められ，その変動はエル・ニー
ニョ現象と密接に関連していた。さらに長期トレンドの解析から，人為起源 CO2 の放出がなかった産業革命前の緯度分布を推定することにも成功している（Matsueda et al., 2015）。
我々の住む対流圏は高度約 10 km 付近までの空気層であり，そこから上はオゾン層などの存在で知られる成層圏が存在している。対流圏と成層圏の境界は圏界面と呼ばれ，圏界面を通した空気の入れ換えは限定されているので，この目に見えない境界の上2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 年

図3

CONTRAIL プロジェクトで使用した航空機の変遷．

年

図4

年

北緯 30 度から南緯 30 度の間の 12 の緯度帯別の上部対流圏における CO2 濃度の時間変動．

赤丸，青丸，緑丸はそれぞれ旧型 ASE，改良型 ASE，CME での観測値を示す．

42p037-046-町田-cc2020.indd

422022/04/07 木曜日

16:01:58

地球環境 Vol.26 No.1&2

下で温室効果ガスの濃度や変動も大きく違うことが予想されていた。この圏界面の高度は一般に高緯度に行くほど低くなる。したがって高度 10 km 付近を飛行する民間航空機は，高緯度地域に行くと成層圏に突入する機会が増えることになる。図 4 は日本と豪州を往復する中緯度から低緯度地帯における飛行での観測値であるので，ほぼ全てのデータが対流圏で得られている。これに対して日本と欧州の間の飛行で得られたサンプルの CO2 濃度は図 4 とは全く違う季節変動を示した。高緯度で得られたサンプルについて，気象データを利用して成層圏のサンプルだ
けを切り出すと，CO2 濃度の季節振幅は同じ緯度帯の上部対流圏に比べて明らかに小さく，最高濃度や最低濃度を示す季節も全く違うことが明らかになった。さらに CH4 濃度や N2O 濃度は CO2 とは逆に成層圏における季節振幅が極めて大きいことがわかった。これらは成層圏における大気の循環や，対流圏空気の流入の季節変化に密接に関係しており，気象分野で注目されている成層圏－対流圏交換過程に有益な知見をもたらすことになった（Sawa et al.,2015）。
2.4 CME による CO2 連続観測の成果の例
2020 年 2 月までに CME が観測を行った主な飛行
ルートと鉛直分布観測を行った場所の空港コード及び CO2 濃度の鉛直分布取得回数を図 5 に示す。CMEはこれまでに 24,000 以上のフライトで 36,000 以上の CO2 濃度の鉛直分布を観測している。
CME に よ る CO2 観 測 の 特 徴 は， 高 頻 度， 高 密度，広範囲での大量のデータ取得である。CME の飛行は全て日本の空港を起点としていることから，
図 5 の飛行ルートの中でもアジア域での観測数が特に多い。この特性を利用してアジア太平洋域における CO2 濃度の緻密な 3 次元構造を再現することに成功した（Umezawa et al., 2018）。図 6 は 8 月における

図5

37 – 46（2021）

3 次元濃度分布の例である。これらの解析から夏季に南アジアの植生による強い CO2 吸収を受けた空気塊がモンスーン循環で上部対流圏に輸送され，アジ
アモンスーン高気圧の内部に留まってしまう構造を鮮明に捉えることができた（図 6）。9 月になるとアジアモンスーン高気圧が崩壊して，低濃度の CO2 は太平洋上に流出する現象も明らかにできた。さらに
南アジアのデリー空港上空における CO2 観測の鉛直分布は，冬季の 1 月～3 月に地表付近で他の地域では見られない低濃度を示すことがわかった。解析の結果，この低濃度は，冬小麦等の農業活動に由来するものであり，最盛期の吸収量はこの時期の周辺の都市域からの CO2 放出量の 2 倍程度に相当することもわかった（Umezawa et al., 2016）。
CME データは CO2 フラックスの分布を推定するための多くのモデル研究に利用されているが，初めての本格的な利用は Niwa et al.（2012）による NICAM（Nonhydrostatic ICosahedral Atmospheric Model）モ
デルをベースにした逆解析によるフラックス推定であった。この研究では，鉛直混合が卓越する熱帯域
では上空の観測値が地上のフラックスのシグナルを効率的に捉えていることを証明し，従来より観測
データの少なかった東南アジアや南アジアのフラックス推定誤差を大きく減ずることに成功した。特に南アジアでは，夏季の CO2 吸収が先行研究では過小評価であったことを指摘することもできた。
2015 年のエルニーニョイベントではインドネシア
で大規模森林火災が発生し，現地の住民の生活に大きな影響があった。CONTRAIL ではこの年にシンガ
ポール便で多くのデータを取得することができた。
シンガポール上空における鉛直分布を確認すると，前年に比べて地表付近で高濃度の CO2 を観測するケースが明らかに増えており，森林火災による影響であると予想された。NICAM モデルベースの逆解

CME の飛行ルートと各空港上空における鉛直分布観測回数．

43p037-046-町田-cc2020.indd

432022/04/07 木曜日

16:01:59

町田：航空機を利用した温室効果ガス観測

図6

アジア太平洋域における CO2 濃度の 3 次元分布（8 月の例）．

地表面に相当する地図の色分けは CO2 フラックス分布を，上空 10 km に相当する面の黒矢印は 8 月の平均の風向風速を，
水色の楕円矢印はアジアモンスーン高気圧のイメージを表している．（Umezawa et al ., 2018 を基に作図）．

析によって放出量を推定したところ，2015 年の乾期である 9 月～10 月にインドネシア域で発生した大規模森林火災からの CO2 放出量は日本の年間放出量に匹敵することがわかった（Niwa et al., 2021）。
CO2 は大気中で化学反応による消滅を受けにくいので，化学的に安定であり，それゆえに大気輸送の指標（トレーサー）としても役に立つ。CO2 データを
3 次元的に大量に得ることができる CME は大気輸送研究にも貢献している。Sawa et al.（2008）による研究では，圏界面近傍の大量の CO2 データを解析することによって圏界面を通した大気輸送を明らかにした。冬季から春季の圏界面は空気輸送の障壁として機能しているが，7 月から 8 月にかけて上部対流
圏のやや高濃度の CO2 を含んだ空気が圏界面を通して成層圏に流入する現象を CO2 濃度場によって可視化することに成功した。また，東経 100 度から
160 度の範囲にある CME データで CO2 濃度分布の南北半球に渡る断面図を作成すると，赤道付近で南北両半球の空気の交換が抑制されているものの，4 月
から 6 月にかけて北半球の高濃度 CO2 を示す空気塊
が赤道上空の上部対流圏を通して南半球に流入している現象を明確に捉えることができた（Sawa et al.,2012）。
最後に，これまでの炭素循環研究では陸上生態系
や海洋といった自然起源 CO2 のフラックス推定を目指していたが，パリ協定に基づく排出抑制政策の効果が期待される今後は，人為放出 CO2 を観測する責務も大きくなっている。CME 観測では空港離着陸時に CO2 濃度の高度分布を取得するが，世界の主要空港が一般に大都市圏近郊に位置していることに着目すると，空港上空での観測データには都市圏からの CO2 排出の影響が見られる可能性がある。そこ

で，世界 36 空港の上空について高濃度 CO2 データのばらつき（標準偏差）に着目したところ，人口規模の大きな都市を近傍に持つ空港の上空ほど大きく，
インベントリから推定される人為起源 CO2 排出量と良い相関があることがわかった（Umezawa et al.,2020）。これは CO2 の自然放出源が面的な広がりを持っていることに対して，人為放出源は強度の強い
ものが局所的に偏在しがちであることから，人為放出源のシグナルが風向や風速によってばらつきが大きくなることを反映した結果であると考えられる。
このことは今後の CO2 排出抑制政策の効果を検証する上でも，CME 観測が有用であることを示しており，さらなる観測の長期化，広域化が期待される。
引用文献
Gloor, M., Dlugokencky, E., Brenninkmeijer, C.,
Horowitz, L., Hurst, D. F., Dutton, G., Crevoisier,C., Machida, T. and Tans P. （2007） Threedimensional SF6 data and tropospheric transport
simulations: Signals, modeling accuracy, andimplications for inverse modeling. Journal ofGeophysical Research, 112, D15112. https://
agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/
2006JD007973
Ishijima, K., Patra, P. K., Takigawa, M., Machida, T.,
Matsueda, H., Sawa, Y., Steele, P., Krummel, P.,
Langenfelds, R., Aoki, S. and Nakazawa, T.（2010）
Stratospheric influence on the seasonal cycle ofnitrous oxide in the troposphere as deduced fromaircraft observations and model simulations.
Journal of Geophysical Research, 115, D20308.

44

p037-046-町田-cc2020.indd

442022/04/07 木曜日

16:02:00

地球環境 Vol.26 No.1&2

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/
10.1029/2009JD013322
Kim, H-S., Maksyutov, S., Glagolev, M. V., Machida,T., Patra, P. K., Sudo, K. and Inoue, G. （2011）
Evaluation of methane emissions from west Siberian
wetlands based on inverse modeling. Environmental
Research Letters, 6, 035201. https://iopscience.iop.
org/article/10.1088/1748-9326/6/3/035201（2021 年
11 月 19 日確認）
Machida, T., Matsueda, H., Sawa, Y., Nakagawa, Y.,
Hirotani, K., Kondo, N., Goto, K., Nakazawa, T.,
Ishikawa, K. and Ogawa, T. （2008） Worldwide
measurements of atmospheric CO2 and other trace
gas species using commercial airlines. Journal of
Atmospheric and Oceanic Technology, 25（10）, 1744−1754. https://journals.ametsoc.org/view/journals/
atot/25/10/2008jtecha1082_1.xml（2021 年 11 月
19 日確認）
町田敏暢・笹川基樹・下山 宏・Arshinov, M., Davydov,
D., Fofonov, A., Krasnov, O., Fedoseev, N., Mitin, S.,須 藤 洋 志・ 勝 又 啓 一・ 津 田 憲 次・ 中 澤 高 清・Maksyutov, S.（2010）シベリアにおける温室効果
ガスの時空間分布. 低温科学, 68, 9−19. https://eprints.lib.hokudai.ac.jp/dspace/handle/2115/45157（2021 年 11 月 19 日確認）
Maksyutov, S., Machida, T., Mukai, H., Patra, P.,
Nakazawa, T., Inoue, G. and TRANSCOM-3
Modelers（2003）Effect of recent observations on
Asian CO2 flux estimates by transport model
inversions. Tellus, B 55（2）, 522−529. https://www.
tandfonline.com/doi/abs/10.3402/tellusb.v55i2.
16734
Matsueda, H., Machida, T., Sawa, Y. and Niwa, Y.
（2015） Long-term change of CO2 latitudinal
distribution in the upper troposphere. GeophysicalResearch Letters, 42. https://agupubs.onlinelibrary.
wiley.com/doi/full/10.1002/2014GL062768
Nakazawa, T., Miyashita, K., Aoki, S. and Tanaka, M.
（1991）Temporal and spatial variations of upper
tropospheric and lower stratospheric carbon dioxide.
Tellus, 43B, 106−117. https://www.tandfonline.com/
doi/abs/10.3402/tellusb.v43i2.15254
Nakazawa, T., Sugawara, S., Inoue, G., Machida, T.,
Maksyutov, S. and Mukai, H. （1997） Aircraft
measurements of the concentrations of CO2, CH4,
N2O and CO and the carbon and oxygen isotopic
ratios of CO2 in the tropospheric over Russia.
Journal of Geophysical Research, 102, 3843−3859.
https://agupubs.onlinelibrar y.wiley.com/doi/10.
1029/96JD03131
Niwa, Y., Sawa, Y., Nara, H., Machida, T., Matsueda,
H., Umezawa, T., Ito, A., Nakaoka, S.-I., Tanimoto,37 – 46（2021）

H. and Tohjima, Y.（2021）Estimation of fire-induced
carbon emissions from Equatorial Asia in 2015 using
in situ aircraft and ship observations. Atmospheric
Chemistry and Physics, 21, 9455−9473. https://acp.
copernicus.org/articles/21/9455/2021/（2021 年
11 月 19 日確認）
Niwa, Y., Machida, T., Sawa, Y., Matsueda, H., Schuck,
T. J., Brenninkmeijer, C. A. M., Imasu, R. and
Satoh, M.（2012）Imposing strong constraints on
tropical terrestrial CO2 fluxes using passenger
aircraft based measurements. Journal of GeophysicalResearch, 117, D11303. https://agupubs.onlinelibrary.
wiley.com/doi/10.1029/2012JD017474
Saeki, T., Maksyutov, S., Sasakawa, M., Machida, T.,
Arshinov, M., Tans, P., Conway, T., Saito, M., Valsala,V., Oda, T., Andres, R. and Belikov, D. （2013）
Carbon flux estimation for Siberia by inverse
modeling constrained by aircraft and tower CO2
measurements. Journal of Geophysical Research,
118. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/
10.1002/jgrd.50127
Sasakawa, M., Machida, T., Tsuda, N., Arshinov, M.,
Davydov, D., Fofonov, A. and Krasnov, O.（2013）
Aircraft and tower measurements of CO2
concentration in the planetary boundary layer andthe lower free troposphere over southern taiga inWest Siberia: Long-term records from 2002 to
2011. Journal of Geophysical Research, 118. https://
agupubs.onlinelibrar y.wiley.com/doi/10.1002/
jgrd.50755
Sasakawa, M., Machida, T., Ishijima, K., Arshinov, M.,
Patra, P. K., Ito, A., Aoki, S. and Petrov, V.（2017）
Temporal characteristics of CH4 vertical profiles
observed in the West Siberian Lowland over
Surgut from 1993 to 2015 and Novosibirsk from1997 to 2015. Journal of Geophysical Research, 122, 11
261−11 273. https://doi.org/10.1002/2017JD026836
Sawa, Y., Machida, T., Matsueda, H., Niwa, Y., Tsuboi,K., Murayama, S., Morimoto, S. and Aoki, S.（2015）
Seasonal changes of CO2, CH4, N2O, and SF6 in theupper troposphere/lower stratosphere over theEurasian continent observed by commercial airliner.
Geophysical Research Letters, 42. https://agupubs.
onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014GL062734
Sawa, Y., Machida, T. and Matsueda, H. （2008）
Seasonal variations of CO2 near the tropopause
observed by commercial aircraft. Journal ofGeophysical Research, 113, D23301. https://agupubs.
onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2008JD010568
Sawa, Y., Machida, T. and Matsueda, H. （2012）
Aircraft observation of the seasonal variation in thetransport of CO2 in the upper atmosphere. Journal of45

p037-046-町田-cc2020.indd

452022/04/07 木曜日

16:02:00

町田：航空機を利用した温室効果ガス観測

Geophysical Research, 117, D05305. https://agupubs.
onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2011JD016933
Stephens, B. B., Gurney, K. R., Tans, P. P., Sweeney,
C., Peters, W., Bruhwiler, L., Ciais, P., Ramonet, M.,
Bousquet, P., Nakazawa, T., Aoki, S., Machida, T.,
Inoue, G., Vinnichenko. N., Lloyd, J., Jordan, A.,
Heimann, M., Shibistova, O., Langenfelds, R.,
Steele, L. P., Francey, R. J. and Denning, A. S.（2007）
Weak northern and strong tropical land carbon
uptake from vertical profiles of atmospheric CO2.
Science, 316, 1732−1735. https://www.science.org/
doi/10.1126/science.1137004
Sugawara, S., Nakazawa, T., Inoue, G., Machida, T.,
Mukai, H., Vinnichenko, N. K. and Khattatov, V. U.
（1996）Aircraft measurements of the stable carbon
isotopic ratio of atmospheric methane over Siberia.
Global Biogeochemical Cycles, 10, 223−231. https://
agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/
96GB00038
Tohjima, Y., Maksyutov, S., Machida, T. and Inoue, G.
（1996） Airbone measurements of atmosphericmethane over oil fields in western Siberia.
Geophysical Research Letters, 23, 1621−1624. https://
agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/
96GL01027
Tohjima, Y., Wakita, H., Maksyutov, S., Machida, T.,
Inoue, G., Vinnichenko, N. and Khattatov, V.（1997）
Distribution of tropospheric methane over Siberia
in July 1993. Journal of Geophysical Research, 102,
25371−25382. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.
com/doi/abs/10.1029/97JD02244
Umezawa, T., Machida, T., Ishijima, K., Matsueda, H.,
Sawa, Y., Patra, P. K., Aoki, S. and Nakazawa, T.
（2012） Carbon and hydrogen isotopic ratios ofatmospheric methane in the upper troposphere
over the Western Pacific. Atmospheric Chemistry
and Physics, 12, 8095−8113. https://doi.org/10.5194/
acp-12-8095-2012

Umezawa, T., Matsueda, H., Oda, T., Higuchi, K.,
Sawa, Y., Machida, T., Niwa, Y. and Maksyutov, S.
（2020） Statistical characterization of urban CO2emission signals observed by commercial airliner
measurements. Scientific Reports, 10, 7963. https://www.nature.com/ar ticles/s41598-020-64769-9/（2021 年 11 月 19 日確認）
Umezawa, T., Matsueda, H., Sawa, Y., Niwa, Y.,
Machida, T. and Zhou, L. （2018） Seasonalevaluation of tropospheric CO2 over the AsiaPacific region observed by the CONTRAIL
commercial airliner measurements. Atmospheric
Chemistry and Physics, 18, 14851−14866. https://
acp.coper nicus.org/ar ticles/18/14851/2018/（2021 年 11 月 19 日確認）
Umezawa, T., Niwa, Y., Sawa, Y., Machida, T. andMatsueda, H. （2016） Winter crop CO2 uptake
inferred from CONTRAIL measurements overDelhi, India. Geophysical Research Letters, 43,
11859−11866. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.
com/doi/full/10.1002/2016GL070939

町田敏暢／Toshinobu MACHIDA

国立環境研究所地球システム領域大気・海洋モニタリング推進室長。1988 年
東北大学理学部卒業。1993 年東北大学大学院理学研究科博士課程（地球物理学専攻）修了。博士（理学）。1993 年国立環境研究所入所。2006 年より現職。東北大学
大学院環境科学研究科客員教授併任。専門は大気中の温室効
果ガスの観測を通したグローバルな循環解明研究。特に航空機を利用した上空における観測を推進している。

46

p037-046-町田-cc2020.indd

462022/04/07 木曜日

16:02:00