過去と現在の南極から探る将来の地球環境システム

南極域で起こる環境変動は全球的な環境変動に大きな影響をもたらすことから、南極域の理解が、今後の地球環境変動の予測の要と言えます。これまで安定していると考えられてきた南極域ですが、近年になり西南極域の氷床融解が進むなど、南極氷床変動の兆しを見せ始めており、今後変動が劇的に進んで、今世紀半ばに後戻りできない臨界点に達してしまうのではないかとの見方もあります。

一方で、臨界点にいたるまでの期間やその全球的な影響は、将来予測モデルにより予測結果に大きな差があります。これは、過去の温暖期における南極氷床の融解過程、海洋による南極氷床の融解過程や南極氷床の融解と降雪のバランスによる氷床の質量収支等の理解が未だ著しく遅れており、観測に基づくモデルへの制約が圧倒的に不十分である事に起因するものです。

そこで、第Ⅹ期計画では、重点研究観測メインテーマ「過去と現在の南極から探る将来の地球環境システム」を設定し、その下に以下の3つのサブテーマを設けて、将来予測モデルに制約を与えるために特に重要である、南極域の氷床、海洋大循環、大気大循環等の過去と現在の変動の把握とその機構の解明を目指して集中的な観測を展開します。

サブテーマ1
最古級のアイスコア採取を軸とした古環境研究観測から探る
南極氷床と全球環境の変動

近年の現地観測や衛星観測、数値モデリング等により、南極氷床やグリーンランド氷床の質量が過去数十年間で加速度的に減少していることが明らかになりましたが、その原因や将来の見通しについては大きな不確実性が残されています。気候-氷床システムの変動メカニズムの理解や将来予測の高精度化を進めるには、現在の氷期-間氷期サイクルの卓越周期10万年の期間のみでなく、およそ100万年前頃に起こったとされる卓越周期4万年から10万年への移行期の古環境情報を復元するとともに、それらに基づいて、数値モデルの境界条件を制約することや計算結果の検証を進めることが重要です。

これまでに、第1期、第2期ドームふじ深層アイスコアの掘削と解析から、過去72万年間の南極および全球の環境変動シグナルを復元し、10万年周期の氷期-間氷期変動の実態やその機構について明らかにしてきました。一方で、卓越周期の4万年から10万年への移行の実態や機構については、様々な仮説が提案されていますが、データの欠如により未だ解明が進んでいません。アイスコア研究の国際組織であるIPICS(International Partnershipin Ice Core Sciences)は、南極域で複数の100万年を超えるアイスコアを採取することを目指して「Oldest Ice」計画を立ち上げ、この国際協力の枠組みの下で各国が掘削候補地の調査を行ってきました。日本は、第Ⅸ期計画で、ドームふじ周辺での最古級のアイスコア採取に向けた氷床の大規模な高精度レーダー探査や雪氷調査を展開して最適な掘削地点の絞り込みを行ってきており、第Ⅹ期計画では、この結果に基づいて、100万年を超える最古級のアイスコア掘削に挑みます。

また、サブテーマ2と連携した「しらせ」による東南極沿岸域の海底堆積物掘削や海底地形調査、第Ⅸ期までに開発した地層掘削システムなどを用いた陸上・湖底堆積物掘削・氷河地形調査を実施し、さらに棚氷域も含めた広域での国際的な堆積物掘削計画とも連携することで、過去の氷床変動を記録した地質試料やデータを取得します。

これら東南極における長期の気候や氷床の変動情報を記録する試料の採取と、外部機関との連携による試料分析やデータ解析、気候・氷床モデリングを展開することで、過去から現在に至る氷床・大気・海洋の変動を統合的に解明し、南極と全球との関連や種々のメカニズムの理解を進展させます。これらは、過去の南極氷床変動および全球環境変動の理解を通じて、地球環境の将来予測の高精度化に資するものです。

サブテーマ2
氷床―海氷―海洋結合システムの統合研究観測から探る
東南極氷床融解メカニズムと物質循環

南極氷床は、それが全部融解してしまえば、地球の海面を60mも上昇させうる膨大な氷の塊です。南極氷床の融解による質量損失の過程と今後の地球温暖化に対する応答の解明は、海水準上昇の将来予測において急務の課題です。日本の南極地域観測隊が主要活動域としている東南極域の氷河氷床は、西南極域のそれに比べて安定的であるという認識でしたが、近年ではトッテン氷河周辺域を筆頭に末端部の棚氷での融解損失が加速しており、海盆域から大陸棚への暖水流入がその要因であると指摘されています。また、氷河氷床の質量損失による海洋への淡水放出は、海氷生産・底層水だけでなく、海洋生態系・物質循環に変化をもたらします。

第Ⅹ期計画においては、海水準変動に直結する氷床―海氷―海洋相互作用に焦点を当て、トッテン氷河域を中心に東南極氷床の質量損失過程の詳細と、その海洋環境や物質循環への影響の実態を他国に先駆けて解明するため、複合分野による統合研究観測を実施します。具体的には、東南極において顕著な氷床―海氷―海洋相互作用が起こっていることが指摘されるトッテン氷河・ビンセネス湾(ウィルクスランド沖)およびリュツォ・ホルム湾において、氷河上での直接観測および南極観測船「しらせ」による観測航海を展開し、CTD/RMS(採水システム付き水温・塩分・圧力測定装置)等の標準的な観測に加え、係留系・漂流系による観測、無人探査機による氷下観測、各種船上大気観測、海底堆積物掘削、船上培養実験等を実施します。これらの観測は、海盆域から氷床末端への暖水輸送のメカニズムと底面融解への影響、棚氷・接地線・溢流氷河システムの変動過程、過去の暖水流入の復元、海洋循環と海氷循環が係る季節海氷域の生態系・物質循環の変動過程、及び大気海洋循環の再現性に影響を与える雲形成過程等を解明することを念頭において実施します。このように、東南極氷床の質量損失の過程の詳細解明と、その海洋環境や物質循環への影響の実態解明を軸にしつつ、サブテーマ1やサブテーマ3とも密接に関連する大気変動、氷床変動、古環境復元に関わる研究観測も連携して実施し、氷床―海氷―海洋相互作用の統合的理解を発展させます。これにより、現状の気候モデルの高度化、ひいては海水準変動を含む全球環境変動の将来予測の高精度化に貢献します。

サブテーマ3
大型大気レーダーを中心とした観測展開から探る
大気大循環変動と宇宙の影響

南極域は地球気候において重要な役割を果たし、かつ、気候変動のシグナルが顕著に現れる場所です。気候変動の主要因の1つである大気大循環変動には様々な大気現象が関わっており、観測の不足が著しい南極域において総合的な観測を展開し、変動の定量的な理解を進めることが本サブテーマの主目的です。さらに、南極域大気の大循環の形成・維持・変動においては、第Ⅸ期計画で明らかになってきた、地球周辺の宇宙環境から南極域の中層・超高層大気へのエネルギー流入による影響や、氷床―海洋との相互作用も重要な要素で、これらを含めた大気大循環変動の研究観測を進めることが必要です。

第Ⅹ期計画においては、南極昭和基地大型大気レーダー(PANSYレーダー)を中心とした多角的な大気複合観測および国際共同観測を継続発展させます。数分から太陽活動周期11年までの幅広い周期帯の南極大気現象を捉え、各現象のクライマトロジー、年々変動、極端イベントの特性などを対流圏から成層圏、中間圏の広い高度域で探ります。さらに、南極域の種々の大気現象により生成される大気乱流が、大気混合を通じて物質輸送に果たす役割の定量的な評価を目指します。南極域成層圏・対流圏には、物質循環の極向きおよび鉛直下向き方向の両方の動きが存在し、活発な気象活動が存在することから、サブテーマ1およびサブテーマ2にも関連して、大気圏から雪氷圏への水蒸気等の物質の流れの統合的な理解も進めます。昭和基地を中心とした拠点精密観測に加え、南極上空の風に乗って南極域全域の面的観測を可能にする気球観測を季節ごとにキャンペーン的に実施します。また、地球周辺の宇宙環境から地球大気への影響を評価するため、中間圏から更に高い高度領域に位置する電離圏観測の充実も図るとともに、より高緯度かつ観測空白域である極冠域でのオーロラ撮像ネットワークと宇宙線観測の拡充も行います。

これらの観測に加え、かねてより国内で開発が進められてきたデータ同化研究、高解像度大気大循環モデル等も組み合わせることにより、各大気現象の全球的な年々変動とそのメカニズム、宇宙天気現象の物理メカニズムの解明を目指し、全球的な大気環境変動の将来予測の更なる高精度化に貢献します。さらに、PANSYレーダー観測の共同利用体制を立ち上げ、南極での観測の一部を研究者コミュニティからの提案に基づいて実施し、多様な科学的要請に応じた観測研究を行います。

重点研究観測 7つの課題