(別紙様式１０)2019 年度 北極域研究共同推進拠点 共同研究等報告書
申請区分：□萌芽的異分野連携共同研究■共同推進研究□産学官連携フィージビリティ・スタディ□共同研究集会□産学官連携課題設定集会

研究課題名：

渦相関法による北極海氷上での CO2 フラックス測定のための機器設計

研究期間：

2019 年度

共同研究員

氏名

所属・職名

専門分野区分
(注 1)

研究代表者

野村大樹

北海道大学大学院水産科 生物地球化学
学研究院・助教

研究分担者 伊川浩樹

農研機構農業環境変動研 気象学（拠点外）

究センター・主任研究員

研究協力者

小野圭介

農研機構農業環境変動研 気象学究センター・上級研究員(注 2)
Brent Else

カルガリー大学・准教授

気象学

近藤文義

海上保安大学校・准教授

生物地球化学【研究の内容】(1) 図表や写真も交えて、研究の内容や成果等を 1000 字程度で簡潔に以下にまとめてください。
渦相関法（以下 EC 法）による北極海氷上での CO2 フラックス測定のための機器設計およびテスト観測を実施した。大気との CO2 フラックスの計測手法の一つである EC 法は、長期的・広域データの取得に優れており、これまで森林などの陸域で広く使われている手法である。しかし、海氷域においてCO2 フラックスは陸域に対して微量であることより、正確な計測が困難となっている（Butterworth andElse, 2018, Atmos. Meas. Tech.）。微量の CO2 フラックスを計測する上で障害となるのがサンプル空気に含まれる水蒸気による水蒸気干渉（ガス分析計による CO2 濃度の測定が水蒸気に影響を受けること）である。この影響を避けるためには、サンプル空気に含まれる水分を取り除く（除湿する）必要がある。そこで、本共同推進研究では、既存の EC システムに除湿システムを組み込み、海氷上で使用するための EC システムを組み上げることを目標とした。また、テスト観測において様々な除湿剤、サンプル空気流量下で得られる CO2 フラックス値の比較解析を実施した。
農研機構農業環境変動研究センター所有の既存の EC システムに、除湿剤を充填した除湿管（φ50×500 mm、山商製）やパーマピュアドライヤー（PD-50T-24MPP、Perma Pure 製）などの除湿システムを新たに組み込んだ（図 1 a−c）。除湿剤は、過塩素酸マグネシウム（6−14 メッシュ、富士フィルム和光純薬製）およびドライアライト（10−20 メッシュ、富士フィルム和光純薬製）を使用した。また、機器間のチューブの長さ、バルブによるサンプル空気流量および系内圧力調整などが可能な設計とした。
1そして、同センターの気象観測サイトにおいてテスト観測を実施し、様々な除湿システム、サンプル空気流量における除湿効率とその安定性・持続性、除湿によるシグナルの減衰の有無を評価するためのデータを取得した（図 1d および e）。年間を通して大気中水蒸気量が少ない冬季にテスト観測を実施した。

a
CO2/H2O計

ポンプ

c

除湿剤⼊り
除湿管流量計
⼤気サンプル取り込み⼝b

パーマピュアドライヤーe
⼤気サンプル取り込み⼝

CO2/H2O計
バルブ

d

ポンプ

流量計

図 1. （a）除湿剤（ドアイアライトまたは過塩素酸マグネシウム）入り除湿管および（b）パーマピュアドライヤーを使用した EC 法システムの回路図。（c）農研機構農業環境変動研究センター微気象観測棟での機器組み立ての様子（2020 年 2 月 7 日、伊川撮影）。（d）同センター気象観測サイトでのテスト観測風景（気象観測タワー付近に EC システムを設置）（2020 年 2 月 27 日、野村撮影）。（e）EC シス
テムセンサー部分の拡大写真（除湿システムの有無影響を同時に比較できるよう 3 つの CO2・/H2O計（LI-7200 が 2 台、Picarro が 1 台）を設置した（2020 年 2 月 27 日、野村撮影）。

図 2 に各除湿システムによる除湿効率とその安定性・持続性に関する結果を示す。ドライアライトを使用した除湿実験では、除湿は十分になされ（水蒸気密度がゼロに近い）、除湿効率は高いが、測定開始後約 4 時間で水蒸気密度は増加し、除湿がなされていない状況となった（図 2a）。一方、過塩素酸マグネシウムを使用した除湿実験では、約 19 時間高い除湿効率が持続された（図 2b）。また、パーマピュアドライヤーを使用した除湿実験では、サンプル空気流量によって除湿効率は変化した（図 2c）。例えば、サンプル空気流量が 13 L min－1 時は、除湿なし時（LI-7200ctrl）の水蒸気密度と差はなく、除湿がなされていない。一方、バルブを調整し流量を 13 L min－1 から 9 L min－1 および 5 L
min－1 に下げた際は、水蒸気密度は減少した。これはバルブを調整する（閉める）ことによりバルブよ2hort?

りも下流側が更に減圧状態となりパーマピュアドライヤー内での圧力勾配により効率良く水蒸気が除7 – 2/28 (M agnesium Perchlorate)去されためと考えられる。また、サンプル空気流量が 9 L min－1（19:00 以降）において比較的高い除湿効率とその安定性・持続性が確認された（図 2c）。

Clogged. But not sure why clogging
decreased CO2 to almost zero.

a8 – 2/29 (Peram apure)Time of 26–27 February 2020

fully openb
Time of 27–28 February 2020

e valve
eddle valve
closedc
Time of 28–29 February 2020

図 2. サンプル空気中の水蒸気密度の時系列変化。（a）ドアイアライト（青色）（LI-7200dry）および乾燥剤なし（赤色）（LI-7200ctrl）、（b）過塩素酸マグネシウム（色は a と同じ）、（c）パーマピュアドライヤー（色は a と同じ）。2020 年 2 月 28 日 14:50 および 15:30 にサンプル空気流量を 13 L min－1 から 9 L
min－1 および 5 L min－1 に調整した。また、17:50 に流量を 9 L min－1 に調整した。
図 3 にサンプル空気中の CO2 濃度の時系列変化を示す。当初、サンプル空気の除湿を行うことによってサンプル空気流量の減少や除湿管内でのサンプル空気の均一化が起こるために CO2 濃度変化のシグナル減衰が起きることが予想された。しかし、各センサー（LI-7200 が 2 台、Picarro が 1 台）で測定されたサンプル空気中の CO2 濃度の変化の様子は一致していた（図 3）。このことから除湿システムの利用は CO2 濃度のシグナル減衰に与える影響は少ないと判断することができた。
3aTime of 26–27 February 2020bTime of 27–28 February 2020c

Time of 28–29 February 2020

図 3. 大気サンプル中の CO2 濃度の時系列変化。（a）ドアイアライト（青色）（LI-7200dry）、乾燥剤なし（赤色）（LI-7200ctrl）、Picarro（乾燥剤あり）（黄色）（b）過塩素酸マグネシウム（色は a と同じ）、（c）パーマピュアドライヤー（色は a と同じ）。CO2 濃度の絶対値の差は各センサー内の圧力による影響や校正時の条件の違いによるものと考えられる。今後補正予定。
まとめと今後の予定本共同推進研究において、既存の EC システムに除湿システムを組み込み、海氷上で使用するための新たな EC システムを組み上げることができた。また、様々な除湿システム、サンプル空気流量における除湿効率とその安定性・持続性、除湿によるシグナルの減衰の有無を評価した。その結果、除湿剤は過塩素酸マグネシウムが除湿効率および持続性で優れていた。また、パーマピュアドラ
4イヤーは、比較的良い除湿効率を保ち、優れた安定性が維持されることがわかった。本結果をもとに今後極域での現場の湿度、乾燥剤取り替え頻度などを考慮し、実際にどの除湿システムを利用するかなどを決定していく予定である。また、今回得られた気象条件なども考慮し、CO2 フラックスの算出を行い、除湿の CO2 フラックスに与える影響を評価していく予定である。
2021 年 5 月にカナダのケンブリッジベイで実施する予定の海氷上 CO2 フラックスに関する相互比較実験に向けて、2020 年度は可能な限り少電力で CO2 フラックス測定が可能なサンプル流量の調整、ポンプの選定を行う（2020 年度共同推進研究申請中）。また、本共同推進研究で得られた結果を研究協力者の Else に見てもらい、議論を重ね、ケンブリッジベイでの比較実験に役立てる予定である。

(2) 本共同研究に関連する活動 (研究打合せ、学会参加、調査等)を実施した場合には、下表に記入してください。
日程(月日数日)

(日)

活動内容

場所

共同研究員・研究協力者の参加者

参加者名

数
(人)

2019.8.16

2

研究打ち合わせウィニペグ

野村大樹、Brent Else

2

2020.1.29

1

研究打ち合わせスカイプ

野村大樹、Brent Else

2

2020.2.7

1

研究打ち合わせつくば

野村大樹、伊川浩樹、小野圭介

3

2020.2.7

1

機器組み立てつくば

野村大樹、伊川浩樹、小野圭介

3

2020.2.25

5

観測調査

つくば

野村大樹、伊川浩樹、小野圭介、

4

近藤文義【研究論文や著書等】
著者名(共著者名含む)、発行年、論文タイトル、掲載誌名、巻・号、ページ数、DOI、査読の有無、イ
ンパクトファクター(IF、分かれば)、分野(表下にある(注 3)から一つ番号を選択)を記入して下さい。
著者名, 発行年, 論文タイトル, 掲載誌名, 巻・号, ページ, DOI

査読

K, Willis M, Zieger P, Abbatt J, Douglas T. A, Facchini M. C, France J, JonesA. E, Kim K, Matrai P. A, McNeill V. F, Saiz-Lopez A, Shepson P, Steiner N,Law K. S, Arnold S. R, Delille B, Schmale J, Sonke J, Dommergue A, Voisin
D, Melamed M. L, Gier J. 2019. Fostering multidisciplinary research oninteractions between chemistry, biology, and physics within the coupledcryosphere-atmosphere system. Elementa-Science of the Anthropocene, 7(1),p.58. DOI: http://doi.org/10.1525/elementa.396.
5

分野の(注有無3)

Thomas J. L, Stutz J. P, Frey M. M, Bartels-Rausch T, Altieri K, Baladima F, 有Browse J, Dall’Osto M, Marelle L, Mouginot J, Murphy J. G, Nomura D, PrattIF

3.5⑥

Kameyama S, Ooki A, Nomura D. 2019. Biogeochemistry of bromine and 有―

⑥―

⑥1.0

⑥

organic sulfur compounds in the Arctic region. In Japanese with English
abstract,andfigures.

Chikyu-Kagaku(Geochemistry),

53,159-171,

doi:10.14934/chikyukagaku.53.159.
Nomura D, Kanna N, Ooki A. 2019. Effects of glacier and sea ice melting on 有
the biogeochemical cycles in the surface water of the Arctic Ocean. InJapanese with English abstract, figures, and table. Chikyu-Kagaku(Geochemistry), 53, 149-158, doi:10.14934/chikyukagaku.53.149.
Nomura D, Wongpan P, Toyota T, Tanikawa T, Kawaguchi Y, Ono T, Ishino T, 有Tozawa M, Tamura T. P, Yabe I. S, Son E. Y, Vivier F, Lourenco A, Lebrun M,Nosaka Y, Hirawake T, Ooki A, Aoki S, Else B, Fripiat F, Inoue J,
Vancoppenolle

M.

Saroma-ko

Physico-chemistry and

LagoonEcosystems

Observations

2019(SLOPE2019).

forseaice

Bulletinof

Glaciological Research (Accepted).
(注 3) 分野：① 化学 ② 材料科学 ③ 物理学 ④ 計算機＆数学 ⑤ 工学
⑥ 環境＆地球科学 ⑦ 臨床医学 ⑧ 基礎生命科学 ⑨ 人文社会系【研究発表】
以下の事項をご記入ください。
発表年月日、発表者名（共著者を含む）、発表タイトル、発表学会等名称、発表地（国、県、市など）、招待講演についてはその点も明記してください。
発表年月日

発表者名

発表タイトル

発表学会等名発表

招待称地講演(〇)2019.4.23

Daiki Nomura

Gas exchange

SOLAS OSC

札幌

Historical compilation

BEPSII andウィニ

of CO2 fluxes over sea

ECV-Iceペグ

ice using chamber

Meeting

process in the ice
covered oceans
2019.8.16

Daiki Nomuratechniques【特許等】
特許・実用新案・商標などの出願がありましたら記載願います。
なし

6〇

【本共同研究に関連して実施した集会(注 4)等】
(注 4) 共同研究者、研究協力者、招へい者以外を含む参加募集によるもの
実施日、実施地（国、県、市など）、集会等名称、概略内容、対象者（「主に研究者」あるいは「主に研究者以外」）、参加人数（「主に研究者を対象」とした場合は外国研究機関の所属者の内数についても括弧内に明記ください。）
実施日

実施地

集会等名称

目的及び内容概略

対象者

参加人数
()

なし
【本共同研究の発展】
本共同研究の成果が科学研究費などの外部資金の応募(予定を含む)やプロジェクトに発展した例があればご記入ください。
研究費名・資金制度名： 北極域研究加速プロジェクト 戦略目標１海洋課題 （応募中）
研究課題名： 北極海環境動態の解明と汎用データセットの構築
研究期間： 令和２年度－令和６年度 （予定）
研究費名・資金制度名： 2020 年度 北極域研究共同推進拠点協同推進研究 （応募中）
研究課題名： 渦相関法による北極海氷上での CO2 フラックス測定のための機器設計 Part 2
研究期間： 令和２年度（予定）【アウトリーチ、取材、その他】
取材・新聞掲載などがありましたら、日時、新聞名、記事コピ－を添付して頂くようにお願いします。
なし

7