一報告一
R e p o r t
北極域対流圏及び下部成層圏における 二酸化炭素濃度の航空機観測
町田敏暢 1•
Shamil Maksyutov'*•
菅 原 敏2 •
森 本 真 司3Airborne observation of CO2 mixing r a t i o i n the Arctic troposphere and lower s t r a t o s p h e r e
Toshinobu M a c h i d a 1 , S h a m i ! M a k s y u t o v 1 * , S a t o s h i Sugawara2 and S h i n j i Morimoto'
A b s t r a c t : T r o p o s p h e r i c and l o w e r s t r a t o s p h e r i c CO2 m i x i n g r a t i o s w e r e measured on board an a i r c r a f t i n t h e A r c t i c A i r b o r n e Measurement Program I 9 9 8 . S t e e p v e r t i c a l g r a d i e n t s i n CO2 m i x i n g r a t i o w e r e o b s e r v e d i n t h e l o w e r s t r a t o ‑ s p h e r e . S m a l l g r a d i e n t s w e r e s e e n i n t h e t r o p o s p h e r e , r e f l e c t i n g weak s o u r c e s and s i n k s f o r CO2 i n w i n t e r . A s i g n i f i c a n t i n c r e a s e i n CO2 m i x i n g r a t i o was found d u r i n g l e v e l f l i g h t i n t h e l o w e r s t r a t o s p h e r e . Back t r a j e c t o r y a n a l y s i s i n d i c a t e d t h a t r a p i d upward t r a n s p o r t b r o u g h t h i g h CO2 t o t h e o b s e r v a t i o n a r e a . S p a t i a l v a r i a t i o n s o f CO2 m i x i n g r a t i o w e r e h i g h l y c o r r e l a t e d w i t h 03 mixing r a t i o . I t i s s u g g e s t e d t h a t CO2 d i s t r i b u t i o n was produced m a i n l y by a i r t r a n s p o r t and m i x i n g .
要旨：1 9 9 8
年の3
月に実施された北極圏航空機観測計画( A r c t i c A i r b o r n e Measurement Program 1 9 9 8 ; AAMP 9 8 )
において航空機にCO2
濃度連続観測 装置を搭載し，北極域対流圏及び下部成層圏におけるCO2
濃度の空間分布を観 測した.CO2
濃度は下部成層圏において高度と共に急激に減少する鉛直勾配が 存在しているが対流圏においては鉛直方向の濃度勾配は非常に小さかった．下 部成層圏における水平分布においては緯度方向にCO2
濃度の系統的な勾配は 見られなかったが，7 8 ' ‑ 8 Q ° N
において水平飛行中に極めて高濃度のCO2
が観測 された．このことから，等圧面上であってもCO2
濃度の分布が水平方向に大き く異なる場合のあることが明らかになった．本観測で得られたCO2
濃度と0,
濃度は非常に良い負の相関を示す．これは濃度の窄間分布が主に空気塊の混合に支配されていることを表している．
1
国立環境研究所.N a t i o n a l I n s t i t u t e f o r E n v i r o n m e n t a l S t u d i e s , Onogawa 1 6 ‑ 2 , Tsukuba 3 0 5 ‑ 8 5 0 6 . 2
宮城教育大学.I n s t i t u t e of E a r t h S c i e n c e , M i y a g i U n i v e r s i t y o f E d u c a t i o n , S e n d a i 9 8 0 ‑ 0 8 4 5 .
3国立極地研究所.
N a t i o n a l I n s t i t u t e of P o l a r R e s e a r c h , Kaga 1 ‑ c h o m e , l t a b a s h i ‑ k u , Tokyo 1 7 3 ‑ 8 5 1 5 .
* P r e s e n t a d d r e s s :
地球フロンティア研究システム.F r o n t i e r R e s e a r c h S y s t e m f o r Global Change, Harumi 1 ‑ 8 ‑ 1 0 , Chuo‑ku, Tokyo 1 0 4 ‑ 6 0 2 3 .
南極資料，
V o l .4 6 , No. I A , 1 2 5 ‑ 1 3 8 , 2 0 0 2
Nankyoku S h i r y o ( A n t a r c t i c R e c o r d ) , V o l . 4 6 , No. I A , 1 2 5 ‑ 1 3 8 , 2002
c2002 N a t i o n a l I n s t i t u t e of P o l a r R e s e a r c h
1 2 6
町田敏暢・ S .M a k s y u t o v ・
菅 原 敏 ・ 森 本 真 司l .
は じ め に地球表層の炭素循環を解明する目的で世界の多くの観測点において大気中の二酸化炭素
(CO2)
濃度が系統的に計測されているが，そのほとんどは地表付近の混合層内で行われており（｛列えば，
Conwaye t a l . , 1 9 9 4 ; K e e l i n g e t a l . , 1 9 9 5 ; Francy e t a l . , 1 9 9 5 ; Nakazawa e t a l . , 1 9 9 7 ) ,
自由対流圏における系統的観測は極めて例が少ない(Nakazawa e t a l . , 1 9 9 1 , 1 9 9 3 , Matsueda and I n o u e , 1 9 9 6 ; Francy e t a l . , 1 9 9 9 ; Machida e t a l . , 2 0 0 0 ) .
自由対流圏におけるCO
豆農度の観測は，大気輸送を3
次元的に扱った炭素循環モデル（フォワードモデル）にとっ ては制約条件として，3
次元モデルを逆演算して使うインバースモデルにとっては入カデータとしてその必要性が近年高まっている．
一方，
CO2
はその化学的に安定な性質から大気中の消滅反応によって濃度が減少することは ほとんどない．また，大気中のメタンや非メタン炭化水素等の酸化反応によって一酸化炭素の 形態を経て生成されるCO2
の量は大気中濃度の時間的・空間的変動に比べると十分小さい．即ち大気中の
CO
豆農度は地表付近の強い放出源・吸収源の影響で大きく変動する以外は，自 由対流圏や成層圏において極めて安定であると言える．従ってCO2
を大気のトレーサーとし て利用することが可能となり，対流圏や成層圏の大気輸送や大気の構造について多くの知見が 得られている（例えば，B o e r i n ge t a l . , 1 9 9 6 ; H i n t s a e t a l . , 1 9 9 8 ; Machida e t a l . , 2 0 0 2 ) .
北極域での大気微量成分の
3
次元分布の観測を通して極渦の崩壊期における大気の輸送・変質の物理・化学過程を調べる目的で
1 9 9 8
年の3
月に北極圏航空機観測計画( A r c t i c A i r ‑ borne Measurement Program 1 9 9 8 ; AAMP98)
が実施された( S h i o b a r ae t a l . , 1 9 9 9 ) .
本観測飛 行において観測機にCO2
濃度連続測定装置を搭載し，北極域におけるCO2
濃度の対流圏から 下部成層圏にかけての鉛直分布や下部成層圏における緯度分布を観測した．本稿では得られた 結果を示すと共にCO2
濃度の空間分布から予想される大気の輸送について考察する．2 .
観 測 方 法観測機は
1 9 9 8
年3
月5
日に名古屋を出発し，ロシアのペトロパブロフスク，アラスカのアン カレッジ，バロー，北極点を経てスバールバル諸島のロングイヤービンに達し，同様のルート を経て3
月1 4
日に名古屋に戻った（図I ) .
途中の各寄港地とスバールバル諸島周辺の3
地点 でco
吋農度の鉛直分布を，各寄港地間の移動の際に下部成層圏でのCO2
濃度の水平分布を観 測した．航空機搭載型
CO
叶農度連続測定装置の概略を図2
に示す．観測機の空気取入口から引き込 まれた大気試料はダイアフラムポンプによって加圧され，N a f i o n
ドライヤーと過塩素酸マグ ネシウムで除湿された後にNDIR(LI‑COR, L I ‑ 6 2 6 2 )
に導入される.NDIR
の空気出口に接続 したバッファー容器には内部の絶対圧力を一定に保つ装僅が備えられているので，飛行高度のiーーー！ ,i
図
1
北極圏航空機観測の飛行経路F i g . I . F l i g h t t r a c k s d u r i n g t h e AAMP 9 8 c a m p a i g n .
I n l e t
Diaphragm Pump
C o n t r o l l e r
図2 航空機搭載型
CO2
濃度連続測定装置の概略F i g . 2 . S c h e m a t i c d i a g r a m of t h e CO2 m e a s u r e m e n t s y s t e m .
変化に伴うキャビン圧の変動に対して
NDIR
の出力が影響を受けない仕組みになっている．観測中は
CO2
濃度既知の標準ガスと試料空気を交互にNDIR
に導入することによって試料空 気中のCO2
濃度を標準ガスの濃度に対して決定した．本装置の応答速度は約6
秒，CO2
濃度の 測定精度は土0 . 1ppmv
以内と見積もられている(Machidae t a l . , 2 0 0 2 ) .
データ取得頻度はl
秒である．1 2 8
町田敏暢•S . M a k s y u t o v ・
菅 原 敏 ・ 森 本 真 司3 .
結果と考察3 . 1 .
鉛直分布AAMP 9 8
観測で得られた北半球中緯度から北極圏上空におけるC 0 2 1 ,
農度の鉛直分布を図3
に示す．図3
に矢印で示される対流圏界面より上部の下部成層圏では高度と共にCO2
濃度が 急激に減少している．圏界面高度は本観測で得られた気湿の鉛直分布より決定した．一方対流 圏においては比較的小さな濃度勾配が存在し，その傾きは低緯度ほど大きくなっている．下部成層圏における
CO2
濃度が対流圏に比べて低い理由は，l )
中高緯度帯の成層圏大気 は対流圏大気に比べて年代が古く(Nakazawae t a l . , 1 9 9 5 ) ,
大気中C 0 2 1 ,
農度の経年増加分だ け低濃度になること，及び 2)下部成層圏におけるCO2
濃度の季節変動は北半球中高緯度の 上部対流圏に比べて非常に小さい(Nakazawae t a l . , 1 9 9 1 )
うえに本観測が行われた3
月は北 半球中高緯度のCO2
濃度が季節的に極大に近い(Nakazawae t a l . , 1 9 9 1 , 1 9 9 3 )
ことの2
点が 考えられる．下部成層圏において
CO2
濃度に急激な濃度勾配が存在することは，大気球を使った成層圏 大気のサンプリング実験で得られた結果と整合している(Schmidtand K h e d i r n , 1 9 9 1 ; Naka‑
zawa e t a l . , 1 9 9 5 ;
青木ら，2 0 0 0 ) .
図4
は1 9 9 7
年2
月と3
月にスウェーデン，キルナ上空にお いて大気球を使ったクライオジェニックサンプリングによって得られたCO2
濃度（青木ら，2 0 0 0 )
とl
年後に本観測で得られたニーオルスン上空のCO2
濃度を北半球高緯度における冬 季の鉛直分布としてまとめたものである．成層圏におけるCO2
濃度は年に約l . 5 ppm
の割合 で増加しているので(Nakazawae t a l . , 1 9 9 5 ) ,
キルナ上空の結果にはl . 5ppm
を加えてある．図4では両観測で得られた
CO2
濃度が高度方向に連続しており，それぞれの観測の妥当性を 裏付ける結果となっている．また，図4より冬季の北半球高緯度における下部対流圏から中部 成層圏にかけてのCO2
濃度の鉛直分布が，下部対流圏にのみに大きな勾配を持ち，その上下の 中部成層圏と対流圏においてはほぼ一定の構造であることがわかる．これまでの気球観測では 成層圏下端におけるCO
豆農度の観測例は少なかったが，本研究の結果はこの領域を補うデータとなっている．
名古屋上空における低高度の非常に高い
CO2
濃度（図3 a )
は主に化石燃料起源のものであ ると考えられるが，高濃度層が4km
にまで達していることから，その発生源は名古屋付近の みとは考えにくい．おそらく中国大陸から季節風に乗って輸送されてくる高濃度のCO2
を 持った空気塊もこれらの高濃度層を形成する要因となっているであろう．高度4km
以上でも 名古屋上空のCO2
濃度は他の観測地点で見られるような等濃度の層が存在せず，高度と共に 濃度が減少している．名古屋上空では高度4‑5km
で下層の高濃度の影響を，高度5km
以上で は成層圏の影響をそれぞれ受けていて，鉛直方向の混合が進んでいないと考えられる．ペトロ パブロフスク上空においては高度3km
以下にCO
豆農度の高い層が観測されている．これも東3 6 0 362 3 6 4 366 3 6 8 3 7 0 3 7 2 374 3 7 6
CO2 (ppm)362 3 6 4 366 3 6 8 370 3 7 2 374 3 7 6
CO2 (ppm)2 l ( e )
゜
3 6 0 362 3 6 4 3 6
CO26 3 6
(ppm)8 3 7 0 3 7 2 3 7 4 3 7 6
0 8 6 4
(E1)出
p nl !
l [V
3 6 0 3 6 2 364 366 3 6 8 : n o 3 7 2 3 7 4 3 7 6
c o 2
(rpm)E1)
; ip n
1 1i r
v
3 6 0 3 6 2 364 366 3 6 8 370 3 7 2 374 3 7 6
CO2 (ppm)14
4 2
R , I , "三
l
( f )
゜ 3 6 0 362 364 366 3 6 8 370 3 7 2 374 3 7 6
CO2 (ppm)図
3
名古屋( a ) ,
ペトロパブロフスク( b ) ,
ァンカレッジ( c ) ,
バロー( d ) ,
ニーオルスン( e ) ,
ロングイヤービン及びスバールバル南部の海上( f )
上空におけるCO2
濃度の鉛直 分布．矢印は圏界面の高度を表す．F i g . 3 . V e r t i c a l d i s t r i b u t i o n s of t h e CO2 m i x i n g r a t i o o v e r Nagoya ( a ) , P e t r o p a v l o v s k ( b ) ,
Anchorage ( c ) , Barrow ( d ) , Ny‑Alesund ( e ) , Longyearbyen ( j ) and s o u t h of S v a l b a r d
( j ) . Arrows d e n o t e t h e t r o p o p a u s e h e i g h t s .
1 3 0
町田敏暢・ S .M a k s y u t o v ・
菅 原 敏 ・ 森 本 真 司30
戸 ← ,‑・・‑,‑‑, ― ・1―――← ,‑‑‑iー,・‑・・,―T――ャー「―1--·T ー→一—― l― 4＼
25
I―!
> 20 : ¥ I
名晨"
1 5
;:,
．
10 「—
Ny‑Alesund
-•~- K i r u n a 970222
+l .5ppm --~Kiruna 970318 + l.5ppm
5
゜ 355 360 CO2 365 (ppm) 370 375
図
4
北半球高緯度における冬季の対流圏から中部成層圏にかけてのCO2
濃度の鉛直分布．小さな黒丸が本観測のニーオルスン上空の結果．大きな白丸と黒丸が大気球観測の結 果（青木ら，
2 0 0 0 ) .
F i g . 4 . V e r t i c a l d i s t r i b u t i o n s of t h e CO2 m i x i n g r a t i o from t h e t r o p o s p h e r e t o t h e m i d ‑ s t r a t o s p h e r e a t n o r t h e r n h i g h ‑ l a t i t u d e s i n w i n t e r . S m a l l s o l i d c i r c l e s r e p r e s e n t d a t a o b t a i n e d b y t h i s s t u d y . L a r g e s o l i d and o p e n c i r c l e s r e p r e s e n t d a t a o b t a i n e d b y b a l l o o n s a m p l i n g ( A o k i e t a l , 2 0 0 0 )
アジア又はロシア極東からの輸送によるものと考えられるが，その濃度は名古屋上空に比べて 低く，高濃度が及んでいる高度も低い．高度
3km
以上の対流圏の濃度には勾配はほとんど見 られず，368‑370ppm
低濃度である．大陸の直接的な影響はこれらの高度にまでは及んでいな いと考えられる．アンカレッジ，バロー及びスバールバルといった北極域上空では空港付近の 局所的な高濃度を除いて下部対流圏に高濃度層は存在していない．これらの地域はユーラシア 大陸や北米大陸の人間活動の影響を受けた空気塊が直接輸送されにくい場所に位置している ためであると考えられる．また，北極域では対流圏全体にわたって高度方向の濃度勾配が非常 に小さい．上部対流圏において圏界面の直下に低濃度の
CO2
がしばしば観測されている． これらには 圏界面を通して成層圏から対流圏に輸送されたものと，圏界面高度が短時間のうちに上昇して しまいそれまで成層圏であった層が対流圏に取り残されてしまったものとが存在すると考え られる．図
5
は各観測地点における自由対流圏の等濃度層のCO2
濃度を比較したものである．自由 対流圏のCO2
濃度はスバールバル諸島周辺よりもアラスカの方が2ppmほど低くなってい
る.3
次元炭素循環モデルを使った解析によるとスバールバル諸島周辺の自由対流圏において は冬季のヨーロッパからの化石燃料起源CO2
の影響が有意に存在するが，アラスカ域の自由北極域対流圏及び下部成層圏における二酸化炭素濃度の航空機観測
1 3 1
p1
uq
re
>S
jO
41
00
S
艮
qJ
U;
}A
b l J
uo
1
pU
11
S;
}[
¥f
A ,
N
︒ ﹁
﹁
﹁[
﹁﹁﹁
﹁
[ L
﹁
‑
7 [
﹁そs>o->哭Io11~d
Lー
l [
7 3
︱ ︱
C
‑ l
． リ ー
.‑．︱︱︱︱
9 8 6
゜
7 6 3 3 3z
︵ 日
dd )
O U
3 6 7
←ll-|llI9:
—•
M0 1J Uf f
品
C JO l
j :: J
U ¥f
=
‑ l
︱
‑ l
ハ
= ‑ l x
ーぃ ェい
I t
3 6 6
1 , , , , 1 , , , , 1 , , , , , , , , , 1 ‑‑1‑J̲ , , 1 , , , ←50 6 0 70 8 0 9 0 8 0 70
L a t i t u d e ( ° N )
図5 各観測地点における自由対流圏の等濃度層の
CO2
濃度．白丸は平均値を，ェラーバー は標準偏差を表す．F i g . 5 . A v e r a g e d CO: m i x i n g r a t i o s i n t h e f r e e t r o p o s p h e r e . Open c i r c l e s and e r r o r b a r s r e p r e s e n t a v e r a g e v a l u e s and s t a n d a r d d e v i a t i o n s , r e s p e c t i v e l y .
対 流 圏 に お い て は 太 平 洋 の 影 響 を 受 け や す い た め に
CO2
濃 度 が そ れ ほ ど 高 く な い( S . Maksyutov, 私信）．スバールバル諸島周辺もアラスカ域も地表付近に見られるような人為起源 CO2
の直接的な影響は観測されていないが，の影響に差が生じているらしい．
より大規模な大気の循環によって人為起源
CO2
ペトロパブロフスクはアラスカと同じ北太平洋域にあるが，アラスカに比べてユーラシア大陸の影響を受けやすいので自由対流圏の
CO2
濃度がやや高め になっていると考えられる．3 . 2 .
緯度分布本観測の各寄港地間におけるフェリーフライトの際に高高度で得られた
CO2
濃度の緯度分 布を図6
に示す． これらの高度は離陸時及び着陸時に確認された圏界面高度より高いこと及 び，CO2
濃度が対流圏に比べて低く03
が1 0 0ppb
以上の高濃度であることから，すべてのデー タが下部成層圏のものであると考えられる．下部成層圏における
CO2
濃度は緯度方向に系統的な勾配は見られないが，同じ高度を飛行 していても緯度方向に濃度が大きく変化している空域のあることがわかる.CO2
の絶対濃度は 低高度を飛行した場合は系統的に高い傾向がある．同一高度における
CO2
濃度の緯度分布を考察するために，高度1 1 . 8km
付近の水平飛行で1 3 2
町田敏暢•S . M a k s y u t o v ・
菅原 敏・森本真司7
↑
‑
u ; : i
[ [
[
豆04
[ ￨
￨ z
y
誓 ' " ! ° ﹂
l >
d
e A o E r . 3
1 f
)
゜
7 3368 366 , ̲
( E
d
d)
z
O
u
364 362 360 358 , ̲
16
1 5 1 4 1 3
Al ti tu de (
km
)
1 2
̲ ̲ r
11
" . ,,
''''
6 0 70 8 0 9 0 L a t i t u d e
゜(N)図6 下部成層圏における
CO2
濃度と飛行高度の緯度分布．細線が往路，太線が復路を表す．F i g . 6 . M e r i d i o n a l d i s t r i b u t i o n s of t h e CO2 m i x i n g r a t i o and f l i g h t a l t i t u d e s i n t h e l o w e r s t r a t o s p h e r e . T h i n l i n e s and t h i c k l i n e s r e p r e s e n t o u t w a r d and i n w a r d f l i g h t s , r e s p e c t i v e l y .
356
30 50 8 0
1 0 70
( E d
d)
z
O
U
368 367 3 6 6 365 364 3 6 3 362 3 6 1 360
30
I t I「―'―‑,—ー， --7-,―'''I ,‑,‑, ← 戸 ― ―1‑.‑‑r7'''丁―T←l―,‑ヤ―1―→一,...‑,‑‑
U;
} A qJ u; } A
iu
0 1
u '
z
り
；
シ0」.＿
□ 。二 JU~
ま0皆N
5
そs>
0‑
>e do
﹂l3d
¥ ぃ
I I I I I I I I I I I I I I I
40 50 60 70 80 90 80 70
図7
L a t i t u d e ( ° N )
高度
1 1 . 8 km
付近の水平飛行で得られた下部成層圏におけるCO2
濃度の緯度分布．細 線が往路，太線が復路を表す．F i g . 7 . M e r i d i o n a l d i s t r i b u t i o n s of t h e CO2 m i x i n g r a t i o a t 1 1 . 8 km a l t i t u d e . and t h i c k l i n e s r e p r e s e n t o u t w a r d and i n w a r d f l i g h t s , r e s p e c t i v e l y .
T h i n l i n e s
得られた結果だけを抜き出したものが図
7
である.CO2
濃度はバローと北極点の間の78°‑80
゜N
以外では約362 ppm
でほぽ一定であるが，この緯度帯だけは363‑366 ppmと明らかに高い濃
度を示した．この高濃度は往路，復路共に観測されている．これらの緯度帯では同時に観測さ れた03
濃度がその南北より低いので（森本，2 0 0 2 ) ,
より低高度の空気の影響を受けている可 能性がある．‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ 7 ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑
、 -~--1 2 5 0 0
゜゜
0 0 0 0 0 5 0
2 1 1
~
(E)~Pnl!ll\1
1 0 5 0 0
‑
‑
＼‑
1 0 0 0 0
3 0 40 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 40 3 0 L a t i t u d e L a t i t u d e
図
8 1 9 9 8
年3
月7
日のバローとロングイヤービン間の飛行経路に到達した空気塊の5
日 間のバックトラジェクトリー解析．左図はバロー・北極点間の，右図は北極点・ロングイヤービン間の飛行経路での結果を表す．太線は飛行経路を，細線は空気塊の軌跡 を，各記号は
24
時間ごとの空気塊の位置をそれぞれ表す．F i g . 8 . F i v e ‑ d a y b a c k t r a j e c t o r y a n a l y s i s b e t w e e n Barrow and L o n g y e a r b y e n o n March 7 ,
1 9 9 8 . L e f t f i g u r e s show t h e r e s u l t s f o r t h e f f i g h t b e t w e e n Barrow and t h e N o r t h P o l e ,
and r i g h t f i g u r e s b e t w e e n t h e N o r t h P o l e and L o n g y e a r b y e n . T h i c k l i n e s , t h i n l i n e s
and s y m b o l s r e p r e s e n t f f i g h t t r a c k s , a i r m a s s t r a j e c t o r i e s and a i r m a s s p o s i t i o n s a t e v e r y
24 h o u r s , r e s p e c t i v e l y .
1 3 4
町田敏暢•S . M a k s y u t o v ・
菅 原 敏 ・ 森 本 真 司図
8
はバローとロングイヤービン間の飛行経路に到達した空気塊の5
日間のバックトラ ジェクトリー解析の結果である．解析はECMWF
の客観解析データを用いて等温位面での輸 送を仮定した.7 8 ° ‑ 8 0
゜N
の飛行経路に到達した空気塊はいずれも観測点よりも低高度でしかも 低緯度から来ていることがわかる．これに対してバロー側の8 0 ° N
から北極点を経てロングイ ヤービン側の8 0 ° N
にかけては空気塊は北極付近の高緯度帯でしかも同じ高度付近を漂ってい る．さらに，高濃度が観測された地点の温位は3 2 5 ‑ 3 3 2K
である．成層圏において中緯度から 高緯度にかけての温位380K
以下の高度帯は"Midworld"と呼ばれ，中緯度付近の等温位面
に沿って対流圏との物質交換が比較的起きやすいとされている
(Holtone t a l . , 1 9 9 5 ) .
従って より低高度で低緯度から輸送されてきた空気塊は対流圏の影響をより強く受けていた可能性 が高く，その結果として高濃度のCO2
が同緯度帯で観測されたと考えられる．以上のように下 部成層圏では低高度低緯度からの輸送があれば等圧面上であってもCO2
や03
等 の 微 量 気 体 濃度の分布が水平方向に大きく異なる場合のあることが明らかになった．3 . 3 . 03
濃度との相関本観測で得られた
CO2
濃度と03
濃度は図 9に見られるように主に成層圏において非常に 良い負の相関を示す．これは両気体が下部成層圏において化学反応に対して比較的安定である ために濃度の空間分布が主に空気塊の混合に支配されている結果であることを表している．しCO (ppm)
2
360 362 364 366 368 370 372 1 1 0 2 !
——ー マ 一
ー—~―下 ‑― 「― ‑‑ c
」二了．二 : ‑̲, 7 ‑＾ ~
ヽa 8
0 _,~ 」 ·•·-1．、
.゜ 100 200
0 (3300
ppb)400 500 600
図
9 1 9 9 8
年3
月1 2
日にバロー上空で観測されたCO2
濃度と Q濃度の鉛直分布F i g . 9 . V e r t i c a l d i s t r i b u t i o n s of t h e CO2 and 01 m i x i n g r a t i o o v e r Barrow on March 1 2 ,
1 9 9 8 .
北極域対流圏及び下部成層圏における二酸化炭素濃度の航空機観測
1 3 5
かしながら，
CO2
濃度と03
濃度の相関は図1 0
に示すとおり，明瞭なl
対l
対応にはなってい るが，その傾きは高高度(CO2
濃度が低く03
濃度が高い部分）で大きく高度が低くなるに 従って小さくなっている．これは下部成層圏においてCO2
は極めて安定であるのに対して03 が厳密な意味では安定ではなく，空気塊が混合される時間スケールでは反応によって消滅する 量が無視できないためであると考えられる．本観測で得られた下部成層圏における
CO2
濃度と03
濃度の関係はすべてのフライトにお いて図1 0
と同様の曲線上に乗っていた．このことからそれぞれの観測域におけるCO2
と03 の供給源やO ̲ ,
の消威過程がお互いに大きく違っていないと考えることができる.3 . 2
節で述べ たバローと北極点の間の7 8 ° ‑ 8 0
゜N
において観測された高濃度のCO2
を持った空気塊において もco
バこ対する03
濃度は図1 0
の同様の曲線状に位置する． このことはこの濃度変動が特別 な放出源・吸収源の影響を受けたものではなく，単純な輸送，混合に起因しているという3 . 2
節の推測を支持する結果となっている．一方対流圏においては成層圏ほど明瞭ではないが
CO2
濃度と03
濃度との間に負の相関が 存在する（図 11).このことから，対流圏における鉛直方向のわずかなCO2
濃度の分布も空気 塊の混合に依るところが大きいと考えることができる.CO2
濃度に対する03
濃度の傾きが図 12に見られるように下部成層圏よりも明らかに小さいのは対流圏における03
が供給源であ゜ ゜
8
r
700,
―600, 500 , .
豆
8‑
400 , ̲
゜
r')200 300 , ‑
1 0 0
゜ 360
．
l0.，
ぶ
・ ゞt●J
ヽ 也 ぽ
｀
・
，
含．
・
・[
[ c
¥
，
̲j̲̲
＇
{ e . .
, . r ,q
,・
， e
̀
・
．．
・＾
¥ ー
ィJ
Tu5． 曲 し
ヽ
を‑ h
、
ipI '
、
[OS9t i
心ir・%。a
t
】iS
,
。g
fi
‑e/T..、 r『
,9、
I、
] e '
．．
1 ' 0"： 5L
‑ P . .
、゜
f．．
r
．
‑ e.
‑ r .
‑ e . 3 ‑ ‑
1 •.
t
‑ P .,＂
' s .，
『●●
―
‑ ti i ' I
一
6
「 ,
． ． ‑
‑1 ，
I i , '
￨
I
「‑
ニ
1
．
362 364 366 368 370 372 C O
(ppm)2
図
1 0 1 9 9 8
年3
月7
日にバローとロングイヤービン間の飛行において観測されたCO2
濃度 と0 . 1
濃度の相関．バローと北極点の間の7 8 ' ‑ 8 0 ゜ N
で観測された高濃度のCO2
の データは白丸で，その他の上昇時，下降時，水平飛行時のデータは黒丸で表されてい る．F i g . 1 0 . C o r r e l a t i o n p l o t b e t w e e n CO2 and 0 . 1 o b s e r v e d b e t w e e n Barrow and L o n g y e a r b y e n
on March 7 , 1 9 9 8 . The d a t a of h i g h CO2 m i x i n g r a t i o s o b t a i n e d i n 7 8 ° ‑ 8 0
゜N a r e
shown by o p e n c i r c l e s . O t h e r d a t a a r e shown by s o l i d c i r c l e s .
1 3 6
町田敏暢•S . Maksyutov•
菅原 敏・森本真司 CO (ppm)2
364 366 368 370 372
( m 1 )
g p m m v8 7 6 5 4 3 2
O 30
f.
‑l
｀ ー ． ． ． ．
9っ
｀
rさ︱︱
一•.•
.,
．
Vヽ ．
︐ ゞ
一[•(,、`J.→，
． ．
‑ ｀
/‑ s:
‑
．
3.
ヽ
↑
Cr
べ (
[ 名U~
l . :
. , ．
．
一｀
‑ f /
‑ ィ・
こ一 A・3
0 ,
. ,
．
ダ
ノ
ど ・
CO2
且な
40 5 0 60
0 (ppb)1
70 80
図11
1 9 9 8
年3
月8
日にニーオルスン上空の対流圏で観測されたCO2
濃度と0
吼農度の鉛 直分布F i g . 1 1 . V e r t i c a l d i s t r i b u t i o n s of t h e CO2 and
Q3m i x i n g r a t i o i n Ny‑A!esund o n March 8 , 1 9 9 8 .
図
1 2
t h e t r o p o s p h e r e o v e r
． 讐 ． ． ．．
．
＇
, ．
< ・ : し
. . . .
＾ "
． ．
． ． ︑
． ．
． ．
． ．
．
•••
． ． ぅ
r .
． ．
蜆
A•.
f ≫
． ．
．
． ．
．ー
． ・
I I
(q dd )￡ 0
6 0
5 5
1‑5 0 , . . . 4 5 , . . . 40
1‑3 5
1‑30
l3 6 8
I
370
上＿
372
CO2
(ppm)1 9 9 8
年3
月8
日にニーオルスン上空の対流圏で観測されたCO2
濃度と0,
澳度の相 関F i g . 1 2 . C o r r e l a t i o n p l o t b e t w e e n CO2 and
Q3o b s e r v e d i n t h e t r o p o s p h e r e o v e r
N̲パl e s u n d
o n March 8 , 1 9 9 8 .
る成層圏大気と隔絶されてからの滞留時間が長いためであると考えられる．
謝 辞
成層圏の物質輸送について有益なアドバイスをいただいた国立環境研究所の中根英昭・中 島英彰の各氏に感謝いたします．
文 献
青木周司・中澤高清•本田秀之・矢島信之•町田敏暢・菅原 敏・川村賢ニ・吉村悟・巻出義紘・
白井知子
( 2 0 0 0 ) :
スカンジナビア北部の成層圏における温室効果気体の鉛直分布．宇宙科学研 究所報告，特集，4 0 ,5 5 ‑ 6 6 .
B o e r i n g , K . A . , Wofsy
、S . C . ,Daube, B . C . , S c h n e i d e r , H . R . , L o w e n s t e i n , M . , P o d o l s k e , J . R . and Conway, T . J . ( 1 9 9 6 ) : S t r a t o s p h e r i c mean a g e s and t r a n s p o r t r a t e s from o b s e r v a t i o n s of c a r b o n d i o x i d e and n i t r o u s o x i d e . S c i e n c e , 2 7 4 , 1 3 4 0 ‑ 1 3 4 3 .
Conway, T . J . , T a n s , P . P . , Waterman, L S . , T h o n i n g , K . W . , K i t z i s , D . R . , M a s a r i e , K.A. and Zhang, N.
( I 9 9 4 ) : E v i d e n c e f o r i n t e r a n n
叫v a r i a b i l i t yo f t h e c a r b o n c y c l e from t h e N a t i o n a l O c e a n i c and Atmospheric A d m i n i s t r a t i o n / C l i m a t e M o n i t o r i n g and D i a g n o s t i c s L a b o r a t o r y Global A i r Sam‑
p i i n g Network. J . Geophys. R e s . , 9 9 , 2 2 8 3 I ‑ 2 2 8 5 5 .
F r a n c e y , R . J . , T a n s , P . P . , A l l i s o n , C . E . , E n t i n g , I . G . , W h i t e , J . W . C . and T r o l i e r , M. ( 1 9 9 5 ) : Changes i n o c e a n i c and t e r r e s t r i a l c a r b o n u p t a k e s i n c e I 9 8 2 . N a t u r e , 3 7 3 , 3 2 6 ‑ 3 3 0 .
F r a n c e y , R . J . , S t e e l e , L P . , L a n g e n f e l d s , R . L . and Pak
、B . C .( 1 9 9 9 ) : High p r e c i s i o n l o n g ‑ t e r m m o n i t o r ‑ i n g o f r a d i a t i v e l y a c t i v e and r e l a t e d t r a c e g a s e s a t s u r f a c e s i t e and f r o m a i r c r a f t i n t h e S o u t h e r n Hemisphere a t m o s p h e r e . J . Atmos. S c i . , 5 6 , 2 7 9 ‑ 2 8 5 .
H i n t s a , E . J . , B o e r i n g , K . A . , W e i n s t o c k , E.M.
、A n d e r s o n ,J . G . , G a r y , B . L . , P f i s t e r , L . , Daube, B . C . , W o f s y , S . C . , L o e w e n s t e i n , M . , P o d o l s k e , J . R . , M a r g i t a n , J . J . and B u i , T . P . ( 1 9 9 8 ) : T r o p o s p h e r e ‑ t o s t r a t o ‑ s p h e r e t r a n s p o r t i n t h e l o w e r m o s t s t r a t o s p h e r e from m e a s u r e m e n t s o f H20, C O 2 , N20 and 03
・G e o p h y s . R e s . L e t t . , 2 5 , 2 6 5 5 ‑ 2 6 5 8 .
H o l t o n , J . R . , H a y n e s , P . H . , M c i n t y r e , M . E . , D o u g l a s s , A . R . , Rood R . B . and P f i s t e r , L . ( 1 9 9 5 ) : S t r a t o s p h e r e ‑ t r o p o s p h e r e e x c h a n g e . R e v . G e o p h y s . , 3 3 , 4 0 3 ‑ 4 3 9 .
K e e l i n g , C . D . , Whorf, T . P . , Wahlen M. and van d e r P l i c h t , J . ( 1 9 9 5 ) : I n t e r a n n u a l e x t r e m e s i n t h e r a t e o f a t m o s p h e r i c c a r b o n d i o x i d e s i n c e 1 9 8 0 . N a t u r e , 3 7 5 , 6 6 6 ‑ 6 7 0 .
M a c h i d a , T . , Nakazawa, T . , I n o u e , G . , M a k s y u t o v , S . , Vinnichenko
、N. P , a n c h e n k o , M . , A r s h i n o v , M.
and F e d o s e e v , N. ( 2 0 0 0 ) : V a r i a t i o n s o f a t m o s p h e r i c CO2 c o n c e n t r a t i o n o v e r S i b e r i a . P r o c e e d i n g s o f t h e E i g h t h Symposium on t h e J o i n t S i b e r i a n P e r m a f r o s t S t u d i e s b e t w e e n Japan and R u s s i a i n 1 9 9 9 . 2 9 4 ‑ ‑ 2 9 9 .
Machida, T . , K i t a , K . , Kondo, Y . , B l a k e , D . , Kawakami, S . , I n o u e , G. and Ogawa, T . ( 2 0 0 2 ) : V e r t i c a l and m e r i d i o n a l d i s t r i b u t i o n s o f a t m o s p h e r i c CO2 m i x i n g r a t i o b e t w e e n n o r t h e r n mid l a t i t u d e s and s o u t h e r n s u b t r o p i c s . J . G e o p h y s . R e s . i n p r e s s .
M a t s u e d a , H . and I n o u e , H.Y. ( 1 9 9 6 ) : Measurements o f a t m o s p h e r i c CO2 and CH4 u s i n g a c o m m e r c i a l a i r l i n e r from 1 9 9 3 t o I 9 9 4 . Atmos. E n v i r o n . , 3 0 , I 6 4 7 ‑I 6 5 5 .
森本真司
