海と雲と藻類と国⽴研究開発法⼈ 産業技術総合研究所 環境創⽣研究部⾨古賀聖治

1．はじめに藻類はエアロゾル粒⼦の先駆物質となる硫⻩化合物や炭素化合物を⽣成しています。エアロゾル粒⼦は太陽放射を散乱・吸収し、その⼀部は雲の凝結核となって雲を形成します。雲は太陽放射の2割程度を反射（図1）して、地球を適度に冷却しています。そこで、まず雲による地表温度の冷却効果を推定してみます。次に、藻類が⽣成する硫⻩化合物である硫化ジメチル（DMS）について概説し、南⼤洋および南極海氷域でのDMSに関する観測例を紹介します。最後に、気候変動に対して藻類がどのように応答するのか考えてみたいと思います。
2．雲による地表⾯の冷却
図2は短波放射（太陽放射）と⻑波放射（地球放射）によるエネルギーの出⼊りを⽰しています。S0は太陽定数（1366 W m−2）、Aは地球反射率、sはシュテファン・ボルツマン定数（5.67×10−8 W m−2 K−4）、aswとalwはそれぞれ⼤気の短波と⻑波の吸収率です。なお、吸収率=射出率（キルヒホッフの法則）です。地表温度TSと⼤気温度Taは、⼤気上端でF4 + F5 + F8 − F1 = 0、地表⾯でF3 + F7 − F2 − F6 = 0とすると次の式で表されます。
𝑆
𝑇! =1 − 1 − 𝑎!" 𝐴𝜎
𝑆
𝑇& =𝜎

図2
図1

地球のエネルギー収⽀

簡易放射モデル

参考図書
⼤気放射学、グラント W.ペティ 著

2 − 𝑎!"
2 − 𝑎#"$%

1 − 𝐴 1 − 𝑎!" 𝑎#" + 1 + 1 − 𝑎!" 𝐴 𝑎!"
2 − 𝑎#" 𝑎#"$%図1を参考に、温室効果や雲の有無を仮定した場合の適切な数値を A、asw、alwに代⼊してTsとTaを求めます。すると、地表温度は温室効果で約30 K加熱、雲の存在で約15 K冷却されていることがわかります。
数値を適当に変えて計算していると、放射収⽀への理解が深まって⾯⽩いですよ。

3．藻類による硫化ジメチル（DMS）の⽣成
雲は地球の気温を適度に下げています。雲の形成には、エアロゾル粒⼦の存在が不可⽋です。藻類は硫⻩化合物や炭素化合物の⽣成を通じて、気候の維持に関与してることになります。ここでは、藻類が⽣成する硫⻩化合物の⼀種である硫化ジメチル（DMS）について概説します。
対流圏下層では、直径0.1−1 µmのエアロゾル粒⼦の滞留時間は1週間程度[Jaenicke, 1993]であり、⼆酸化硫⻩（SO2）では1⽇程度になります。⼆酸化硫⻩は気相反応および雲・霧や既存エアロゾル粒⼦中での液相反応を経て硫酸（H2SO4）になります。陸域と沿岸域では、 エアロゾル粒⼦中のH2SO4はアンモニアなどで中和されて硫酸塩になっています。しかし、産業活動による⼤気への影響が⼩さいと考えられる遠隔外洋域、南極域、さらには成層圏においてさえ、H2SO4がエアロゾル粒⼦を構成する主要成分として存在します。これは、⾃然起源の硫⻩化合物が、⼤気に放出されていることを⽰しています。
図3は⾃然硫⻩化合物の⼤気中での循環を⽰しています。陸上・海⾯からの放出量で、最も多いのがDMSです。
海洋から28.2 TgS yr−1、植⽣と⼟壌から3.5 TgS yr−1と推定されています。⼈為起源からの放出量は2.2 TgS yr−1です。
なお、産業活動に伴って⼤気に排出されるSO2は年間約20 TgS yr−1と推定されています[OECD, Stat., 2017]。硫化ジメチルは酸化反応により、メタンスルホン酸（MSA）やSO2などになり、これらは最終的に硫酸に変換されます。
多くの藻類は、周囲の環境から硫酸塩を取り込み、ジメチルスルフォニオプロピオナー
ト（DMSP）を⽣成しています。硫化ジメチ
ルはDMSPの分解⽣成物であり、“磯の⾹り”の成分の⼀つです。珪藻（図4）はDMSPを⽣産しますが、主要なのはパプト藻綱（図5）や渦鞭⽑藻綱に属する藻類です。そのため、海⽔
図4 珪藻
https://photosyn.jp/pwiki/?珪藻 中のDMSP濃度はクロロフィルa（Chl a）濃度と常に相関があるとは限りません。
DMSPは、浸透圧調節[Keller et al., 1989;
Stefels et al., 2007]、抗酸化[Sunda et al., 2002]、凍結防⽌[Stefels et al., 2002]、動物プランクトンなどからの捕⾷の抑⽌[Strom et al., 2003]と図3 ⾃然起源硫⻩化合物、エアロゾル粒⼦、いった機能を有しています。
雲の関係 数字はSeinfeld and Pandis (1998) とLee andBrimblecombe (2016)から引⽤した推定放出量
図5 ハプト藻（単位：TgS yr−1）

https://ja.wikipedia.org/wiki/ハプト藻

4．南⼤洋と南極海氷域での⼤気DMS濃度の観測
南⼤洋ではChl a濃度が⾼いため（図6）、⼤気DMS濃度も他の海域と⽐較して⾼いことが考えられます。⼤気中のDMS濃度の季節変動は、時空間的な平均値で⽐較すると、Chl a濃度の変動と同期しています[Preunkert et al.,2007]。また、海氷底⾯には海氷藻類（アイスアルジー）が多く⽣息しています（図7）。そのため、南⼤洋と海氷域における⼤気DMS濃度と⼤気へのDMS放出量について、研究者の間で⾼い関⼼が持たれています。
砕氷艦「しらせ」は、毎年ほぼ同⼀時期に同⼀航路を航海して、⽇本南極地域観測隊（ JARE）と物資を昭和基地へ輸送します。「しらせ」艦上では⼤気DMS濃度の観測が、これまでに第32次隊（JARE32）[Koga et al., 1993]、JARE38 [Inomata et al., 2006]、JARE39[Yokouchi et al., 1999]、JARE51[Koga et al., 2014]で実施されてきました。観測の⽬的は、１．⼤気DMS濃度の海況による違い、２．海氷⾯からのDMS放出量、３．⾃然起源エアロゾル粒⼦の個数濃度と⼤気DMS濃度との関係について調査研究することです。

図6 2009年12⽉のクロロフィルaの濃度（SeaWiFSデータ）

図9 JARE39航海中の1997年11⽉から1998年3⽉に観測した⼤気DMS濃度[Yokouchi et al., 1999]

図7

砕氷された海氷底⾯の⾊が海氷藻類の存在を⽰す

図8 海⾯・海氷を通してのDMSの動き

図10 JARE51航海中の2009年12⽉から2010年1⽉に観測した⼤気DMS濃度[Koga et al., 2014]および海況の様⼦

これまでの観測で、⼤気DMS濃度は海氷縁で⽐較的⾼いことがわかりました（図9と10）。JARE38では、海氷縁でChl a濃度と⼤気DMS濃度が共に⾼くなりました。しかし、JARE51では⼤気DMS濃度が⾼いにも関わらず、Chl a濃度に変動はありませんでした。JARE38とJARE51では、藻類の優占種が異なっていた可能性があります。
図10で⽰すように、海氷域では激しい濃度変動が⽣じています。これは、砕氷航⾏により、海氷底における⾼濃度のDMSが⼤気に放出されたことを⽰しています。図10の右下の写真は、「しらせ」が昭和基地に接岸する直前の左舷側の海氷⾯を捉えています。氷⾯が茶⾊なのは、砕氷によって有機物を含んだ海⽔が氷⾯を覆ったためです。砕氷されなければ⼤気へのDMS放出は無く、⼤気DMS濃度は低いままであると想像できます。昭和基地沖の海氷上で⾏ったDMS放出量の観測結果からも、海氷上の積雪と氷層が⼤気へのDMS放出を妨げていることがわ
かりました[Nomura et al., 2012]。また、ここには図を掲載していませんが、海氷上のエアロゾル粒⼦の個数濃度は、開⽔域でのそれと⽐較して10分の1程度に減少しました。海氷が海塩粒⼦の発⽣だけで無く、エアロゾル粒⼦の先駆物質であるDMS放出も妨げ、結果として新粒⼦⽣成を抑制したと考えられます。
５．気候変動に対する藻類の応答
気温が上昇して海氷が溶け、海⽔中のDMSが⼤気に移動しやすくなった場合、エアロゾル粒⼦と雲粒の数濃度の増加が太陽光の⼊射量を減らして気温上昇を抑制するのか。逆に、海氷⾯積の減少が藻類によるDMS⽣産を減少させ、気温上昇が加速するのか。また、気温上昇により藻類の活動が活発になれば、⼤気中の⼆酸化炭素の増加が抑えられ、DMS起源のエアロゾル粒⼦と雲粒の数濃度が増加して、気温上昇が抑制されるのか。そもそも、藻類が地球の恒常性維持に関わっているのか。これらの問いに答えるには、現在の知識では不⼗分です。今のわたしたちにできることは、藻類種のバランスを崩さないように、海洋環境の保全に努めることであると思います。