炭素循環

海洋の炭素循環プロセス

｜海洋の炭素循環プロセス｜中・深層域のＣＯ２吸収能力｜海洋の温度調節機能｜マーチンの鉄仮説｜

　　大気中のＣＯ２を減少させるためには、ＣＯ２を液化させ直接深海に注入する案や、効果的にＣＯ２を吸収する植物プランクトンの研究がなされている。しかし、最終的にはこれを実施するために必要なエネルギー及びコストが問題になる。科学者の間では、今のところ現実性は乏しいと信じられている。

　『新生アポロ＆ポセイドン構想』は、ある意味では、この“科学者の常識”に挑戦するものである。わが国の科学技術力を結集して、従来から個別に研究されている要素技術を統合化すれば、上記の大気中ＣＯ２吸収に伴うエネルギー及びコスト問題を解決することができることを示すものである。それには、外洋における海洋の炭素循環プロセスの理解を深めておく必要がある。

　炭素循環とは、人間による化石燃料の燃焼とそれによるＣＯ２の大気への排出を含めた、地球上の炭素の排出、吸収のメカニズムの循環系をいう。１９９４年に発表されたIPCC特別報告書では、炭素循環を構成する主なプロセスとして、以下の４つをあげている。

No	炭素循環を構成する４つのプロセス
１	大気と海洋との間のＣＯ２の交換
２	海洋の「表層水」と「深層水」の循環による「深層の長期貯蔵庫」との間のＣＯ２の交換
３	土地利用の変化により生ずるＣＯ２の正味の吸収または排出（森林破壊など）
４	陸上の植物の光合成によるＣＯ２の吸収、木材や土壌内の長期貯蔵庫への植物炭素の移動

　ＣＯ２の排出と大気中の濃度の関係を検討し、将来のＣＯ２濃度を計算するためには、炭素循環のメカニズムの全ての過程を明示的に取り入れた炭素循環モデルが必要である。しかし、現時点では炭素循環の収支は必ずしもうまく合っておらず（ミッシング問題）、科学者の間では、特に海洋の吸収量を中心に盛んに研究、議論が行われている。

１．海洋の炭素循環プロセス

　ここでは、①気体の溶け込み、②風化作用、③生物ポンプ、④アルカリ・ポンプについて説明する。

　なお、波浪による海水混合は水深数十ｍ以内で起こる、中緯度内では水深200ｍ近辺にサーモクライン（温度躍層）が存在し、表層水と中・深層水の物理的な海水循環は数百年から１千年のオーダーがかかることを前提としてる。

１.１　気体の溶け込み　　⇒　参照：炭素循環（『環境問題』を考える）

　植物が光合成と分解によって大気とＣＯ２を交換するのに対して、海は海洋表面を通して気体の溶入と逸出という物理的な過程で交換を行う。酸素とＣＯ２の溶解度は、海洋中の生物的・化学的過程で大きく変化する。海洋表層で海水に溶け込んだ酸素は、その海水が沈み込んで深層にもたらされると、大気からの補給が断たれ、有機物の酸化分解に消費される一方になる。

　一方、ＣＯ２は他の気体と異なり、水に溶けると解離して弱酸性になる。このため表層水中では、酸素の５～１０倍のＣＯ２が溶解している。ただし、溶存無機炭素の大部分は解離イオンとなり、ＣＯ２として存在するのはわずか１％以下である。ＣＯ２の分布は、海水の物理的循環、水温の変動、大気－海洋間の気体交換速度、および植物プランクトンの活動によって支配されている。

１.２　風化作用と変成・火成作用

　地球の歴史を通して、海が完全に凍りつくことも、また沸騰して蒸発することもなく、生物がいき続けられる条件にあったことは、多分大気中のＣＯ２濃度がなんらかのメカニズムで制御されてきたものと思われる。その役割を、数千万年から１億年程度の時間をかけて起こる地球表層での炭素の循環が担ってきたのである。

　単純化した例で、その循環の様子をみてみることにする。

　大気中のＣＯ２は水と反応して酸になり、岩石を溶かす作用（風化という）に使われて消費される。その式は式（１－３）のようになる。

風化作用：　CaSiO₃＋３H₂O＋２CO₂　→　Ca^２＋＋２HCO₃^－＋H₄SiO₄⁰　（１－３）

　風化によって解けた物質は、河川の流れとともに海へ運ばれる。海中では、プランクトンやサンゴの育成に伴って次の２つの反応が起こる。有孔虫や円石藻、サンゴなどの炭酸カルシウムの殻は式（１－４）のようにしてつくられる。その炭酸カルシウムは海底堆積物へ、また生成されたＣＯ２は大気中へ放出される。海水中にはカルシウムイオンや炭酸イオンが豊富にあり、いかに炭酸塩殻を持つ生物が繁殖したとしても不足することはない。

　一方、ケイ素については、式（１－５）の反応で溶存セイ酸からケイ藻や放散虫の殻がつくられ、死後それらが沈降して海底堆積物となる。定常状態では河川から運び込まれる炭素やケイ素の量は、生物性の炭酸塩およびケイ酸塩として堆積する量と等しいはずである。この風化で起こる一連の反応は、式（１－６）のようになり、炭素に注目すれば大気中のＣＯ２が炭酸塩として海底の堆積物となる。

石灰化：　　　　Ca^2＋＋２HCO₃^－　→　CaCO₃（固体）＋H₂O＋CO₂　　　　（１－４）

オパール化：　H₄SiO₄⁰　→　SiO₂（固体）＋２H₂O 　　　　　　　　　　　　　　（１－５）

風化作用：　　CaSiO₃＋CO₂　→　CaCO₃（固体）＋SiO₂（固体）　　　　（１－６）

　もう一つの大気中のＣＯ２を消費する反応は、石灰岩などの風化の際にも起こる。これは、式（１－７）で表される。しかし、このようにして海に運び込まれた重炭酸イオンは式（１－４）に示した海洋生物の石灰化反応によって、定常状態では石灰岩の風化に使われたのと同量のにＣＯ２が再び大気に放出されることになる。つまり、比較的速やかに逆向きの反応が起こるので、ここでの長期的な炭素サイクルからは除外して考えることができる。

CaCO₃（石灰岩）＋H₂O＋CO₂　→　Ca^2＋＋２HCO₃^－　　　　　　　　　（１－７）

　さて、海底に堆積した炭酸塩やケイ酸塩は、永久に海底に埋没しているわけではない。海洋地殻は毎年数センチメートルというゆっくりとした速度で移動し、最終的には大陸地殻の下にもぐり込んでいるからである。堆積物の大部分も、海洋地殻が大陸の下にもぐり込む際に一緒に引き込まれ、そして地下の高温・高圧条件のもとで鉱物の再変成が行われるのである。その反応は、式（１－６）に示した風化作用の逆で、式（１－８）で表される。そして生じたＣＯ２はいずれ、火山ガスとして再び大気中へ放出される。

変成作用：　CaCO₃＋SiO₂　→　CaSiO₃＋CO₂　　　　　　　　　　　　　（１－８）

　炭素は、こうして地球表層を循環することになる。海洋地殻の平均年齢はたかだか１億年であるから、炭素は地質時代を通して何回もこのような循環を繰り返しているのである。

　なお、栄養塩の豊富な海域では溶存ケイ酸の濃度も高く、理由は不明であるが、ケイ藻が他のプランクトン（例えば、炭酸カルシウム殻をもつ円石藻）よりも優先して繁殖することが知られている。その他の海域では、溶存ケイ酸を使い切るまでケイ藻が増殖するが、その後は石灰質プランクトンが優先する。

　石灰質のプランクトンには、アラゴナイト（あられ石）の結晶形を持つものとカルサイト（方解石）の結晶形を持つものとがある。原因は不明であるが、海洋の数百メートル以浅の表層水はアラゴナイトやカルサイトのどちらに対しても過飽和の状態にある。いつそれらが沈殿しても不思議ではないが、実際には、無機的に沈積することはほとんどなく、サンゴ、貝殻、プランクトンなどが、それぞれの好みに応じてどちらかの結晶形の殻をつくる。その量は、有孔虫や円石藻などのプランクトンが大部分を占める。ケイ素とは異なり、海水中にはカルシウムイオンや炭酸イオンが豊富にあり、いかに炭酸塩殻を持つ生物が繁殖したとしても不足することはない。そのため、海洋表層での炭酸塩の生産量は、場所によって変わらない。

　従って、深海堆積物中の分布は、深層水中での溶解の度合いに支配されるものと思われる。海水中ではカルサイトの方が安定で、アラゴサイトの方が溶解しやすいことが知られている。炭酸塩堆積物は、中央海嶺、海山、海台など海底から高まりのあるところに多く分布し、５千メートルを越えるような深海では沈降中に溶解してしまいほとんど見られない。

１.３　生物ポンプ

　　陸上植物と比較して、海洋生物の量はそのわずか0.2％に過ぎない。しかしながら、有機物の年間生産量で比較すると両者はそれほどかわらない。陸上植物は、例えば２倍に増えるために数ヶ月から数年かかるのに対し、植物プランクトンはわずか数日で増殖する。つまり、海洋生物はライフサイクルの回転が速いという特徴がある。

　植物プランクトンが光合成でつくり出す有機炭素の量を、一次生産という。生産された有機物のほとんどは食物連鎖の過程やバクテリアの作用で酸化分解され、無機炭酸物質として再び海水中へ戻る。この再生は、外洋の場合、一次生産の９０％以上が海洋の表層で起こると考えられている。そこでは一般に、数十メートルの深さまで風でよく撹拌される混合層が形成されていて、たえず大気と気体交換を行っているので、再生した過剰のＣＯ２は、速やかに大気へ戻ることになる。再生を逃れた一部の有機物は、粒子状物質として沈降していくが、その途中か、または海底に到着してから、そのほとんどがバクテリアなど底棲生物の働きで分解され、無機炭素などとして深層水に放出される。無機物の分解過程では、溶存酸素が使われる。最近、このような海洋表層の生物生産と深層における有機物の分解・再生のサイクルを総称して「生物ポンプ」と呼んでいる。

　海洋表層で光合成によってつくられる有機炭素量は、呼吸を差し引いた一次総生産と呼ばれるべきものである。この一次生産の大部分は、表層水中で光合成と分解を繰り返しているだけであり、炭素を表層から深層へ運ぶことには関与しない。これを再生生産といっている。一方、中・深層からの湧き上がりや河川および大気からもたらされた栄養素を使った有機炭素の生産は、もし除去されなければ実質的な増加をもたらし、表層水にしだいに蓄積することになる。これを新生産といい、定常状態が成り立っていれば、表層から沈降除去される有機炭素と等しくなる。この新生産に当たる部分の炭素が、表層から中・深層へ運ばれている。中緯度外洋域では、その新生産は一次生産のたかだか１０％に過ぎないといわれている。

　この生物ポンプは、大気からＣＯ２を吸収し、深海へ運び貯蔵する役割を担っている。深層水には過剰の無機炭素が蓄えられているが、それらは２０００年後にはいずれ海洋循環で表層へ浮かび上がり、そこで過剰のＣＯ２を大気へ放出することになる。

　深海はこの生物ポンプの働きによって現在大気中にあるＣＯ２の約２倍の炭素を隔離し、貯蔵している。このように、植物プランクトンは地球規模の炭素循環に重要な役割を果たしている。

１.４　アルカリ・ポンプ

　ＣＯ２は酸性の気体であるので弱アルカリ性の海水を中和する反応（７－１）によって、過剰分が海水に溶け込むことになる。この反応では、炭酸イオンが消費されるので、いずれは炭酸カルシウムの溶解反応（７－２）によって補われる。これらの反応が速やかに進めば石灰岩の風化作用と同じ結果になり、海水中には吸収された過剰ＣＯ２が溶存無機炭素（HCO₃^－）として蓄積するとともに、溶解した炭酸イオン（CO₃^2－）によってアルカリ度が増すことになる。

　　　　　CO₂＋H₂O＋CO₃^2－　→　２HCO₃^－　　　　　（７－１）

　　　 CaCO₃→　Ca^2＋＋CO₃^2－（７－２）

　つまり、海洋表層で生成された炭酸塩（CaCO₃）が沈降して深層域で溶解するとＣＯ２を吸収することができるようになる。この炭酸塩の溶解に伴うＣＯ２の吸収を、有機物による生物ポンプと区別して「アルカリ・ポンプ」と呼ばれる。

　現在は、海洋表層で生成された有孔虫や円石藻などの炭酸塩のうち、およそお４分の３が深層域で溶解し、その残りが深海堆積物として海底に蓄積していると言われている。

　ＣＯ２が海洋表層に溶け込むのに対して、炭酸塩の溶解は海水が不飽和となる深海で、しかも主に堆積物と接触する海底付近で起きる。従って、これらの反応を連続的に起こさせるには、海洋の循環で表層水が中・深層域に運ばれなければならない。自然の状態の海水循環に任せていては、少なくとも数百年の時間が必要になる。表層域における今後の百年程度の変化については、深海底の炭酸カルシウムより海水中に存在する炭酸イオンがＣＯ２の吸収源の主役となる。

　または、ＣＯ２を強制的に中層域に注入することが考えられる。これが、海洋隔離システムの考え方の原点である。

炭酸イオンの鉛直分布（●：太平洋、○：大西洋）

２．中・深層域のＣＯ２吸収能力

　『新生アポロ＆ポセイドン構想』は、ＣＯ２の吸収源対策として、中・深海域に存在する膨大なＣＯ２の吸収能力を活用しようとするものである。

　海洋の過剰ＣＯ２の吸収能力は海水中に存在している炭酸イオンの量と、海水中の炭酸イオンの減少を補うために解けうる堆積物中の炭酸塩の量にかかっている。深層域では有機物の分解で生じたＣＯ２との反応によって炭酸イオンが少なくなっている。全海洋では約1,200億モルの炭酸イオンが存在するので１，４４０Gtの過剰ＣＯ２を吸収しうる容量に相当する。ただし、これは海洋全体の話であり、実際は海洋循環の速度が遅いために、表層域の１２％程度が大気と交換しているに過ぎない。それと反応しうるＣＯ２は５５０Ｇｔ程度である。

３．地球の温度調整機能

　いわゆる定常状態が成り立ち、風化作用と変成・火成とが釣り合っていれば、大気中のＣＯ２濃度は一定に保たれる。しかし、地殻を含めた炭素の循環は長い時間がかかるので、地質学的な変動が起これば定常状態が崩れることになる。

　これらの過程で生物は、風化を加速するいわば「触媒」としての作用をするとともに、光合成により有機物を生産し地中へ埋没することによって、この長期の炭素サイクルに直接関与していることがわかる。それは次の反応式で示される。

光合成／酸化分解　CO₂＋H₂O　⇔　CH₂O（有機物）＋O₂　　　　　　　　　　　（１－９）

　つまるところ人類は今、地中から化石燃料を掘り出しエネルギー源として使用することによって、光合成の反応を逆に進めていることになる。その規模が次第に大きくなり、「温度調節」の調子を狂わせるまでになったと言うことができる。

４．マーチンの鉄仮説

　酸素を含む通常の海水中では、鉄は三価として非常に不安定にしか存在できず、粒子状物質に吸着してすぐ除かれてしまう。

　外洋海水への鉄の供給は、大気を通して風で運ばれる大陸からの微粒子の降下によるものが大部分である。

参考文献：野崎義行、『地球温暖化と海　炭素の循環から探る』、東京大学出版会

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