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2012年3月8日木曜日

地質時代の海洋酸性化の記録

The Geological Record of Ocean Acidification
Bärbel Hönisch, Andy Ridgwell, Daniela N. Schmidt, Ellen Thomas, Samantha J. Gibbs, Appy Sluijs, Richard Zeebe, Lee Kump, Rowan C. Martindale, Sarah E. Greene, Wolfgang Kiessling, Justin Ries, James C. Zachos, Dana L. Royer, Stephen Barker, Thomas M. Marchitto Jr., Ryan Moyer, Carles Pelejero, Patrizia Ziveri, Gavin L. Foster, and Branwen Williams
Science 335, 6072 (2 March 2012)
の解説。

現在進行中の海洋酸性化が生態系にどう影響するかの将来予想のため、種々の酸性化飼育実験や野外調査が行われている。
しかしながら酸性化した海水下で飼育実験を行う場合、生態系的な複雑性が非常に小さくなっており、現実離れしているという欠点がある。
また野外調査ではここ最近の限られた記録しか得られない。

そこで地質学的な過去の海洋酸性化の記録を復元し、そのメカニズムを理解することと、その生態系へのインパクトを復元することが将来予測の上でも重要である。


Honisch et al. (2012) Fig. 1を改変。
石灰化を行う生物は地球に誕生後、過去3億年間のうちに幾度となく絶滅を繰り返して進化してきた。主な海洋酸性化(及び種々の気候・環境変動)が起こった時期が赤線で示されている。その規模・継続期間・メカニズムはそれぞれの時期において異なる。

海洋酸性化とは、大気中の二酸化炭素濃度が上昇することで海水のpHが下がることを意味する。海水のpH低下は海水中の炭酸イオン濃度を低下させ、炭酸塩の殻を作る生物に負荷を与えることが知られている。
炭酸塩にはアラレ石(aragonite)と方解石(calcite)が代表的だが、このレビュー論文ではより海洋酸性化に脆弱なアラレ石についてのみ計算結果が示されている。
アラレ石を形成する代表的な生物としては、サンゴ、翼足類(クリオネもこの仲間)が挙げられる。

過去の大気中CO2濃度、海水のpH、海水の炭酸イオン濃度を知るための間接指標としては以下のものが開発されている。
  • 海成炭酸塩のホウ素同位体(δ11B)
  • 浮遊性・底性有孔虫殻のB/Ca、U/Ca、Zn/Ca
  • 有機高分子(アルケノン)のδ13C
  • 古土壌(paleosol)のδ13C
  • 植物の葉の気孔密度(stomatal indices)
  • コケ類のδ13C

過去にも海洋酸性化がたびたび起きていたことが知られているが、その時間スケール、変動要因はそれぞれ異なる。

長い時間スケールで海水のpHを決定するのは基本的には大陸風化に伴うアルカリ度の海水への追加である。いわゆるウィルソンサイクル。
大陸風化促進→アルカリ度上昇→pH上昇

一方で短い時間スケールで海水のpHを決定するのは基本的には大気中の二酸化炭素濃度。
具体例としては現在の化石燃料燃焼に伴う二酸化炭素放出。PETMのメタンハイドレートの大規模な崩壊など。

海洋表層で生産された炭酸塩の一部は堆積物中に残るが、堆積物中の炭酸塩はpHが低下すると溶解し海水のアルカリ度を上昇させる。アルカリ度が上昇するとより大気中のCO2を吸収できるようになり、大気中の二酸化炭素濃度を低下させる。
海水と堆積物中の炭酸塩はある意味で大気中の二酸化炭素濃度を安定化させる役割を負っている。
しかし問題はこの炭酸塩の溶解による安定化が進むよりも早く大気中の二酸化炭素濃度が上昇した場合に、主に海洋表層において海洋酸性化が急速に進行することである。そしてこの急速な海洋酸性化は炭酸塩骨格を形成する生物に重篤な危害を与えることになる。

Honisch et al. (2012) Fig.2を改変。
現代の炭素循環の模式図。炭素貯蔵量ではマントルや炭酸塩を始めとする岩石圏に圧倒的に大量の炭素が存在する。そのため長期間の炭素循環を考える場合、火山活動の変化や大陸風化の変化が炭素循環に与える影響が非常に大きい。短期間の炭素循環を考えた場合、海洋においては大気との二酸化炭素の交換と生物活動による炭酸塩・有機物生産と深層への輸送が大きな役割を占める。海洋の特に深層水に大量の炭素が貯蔵されているため、大気の二酸化炭素濃度は主に海洋の炭素循環に支配されている。現代は人類が化石燃料燃焼による二酸化炭素を放出し、その3分の1程度が海洋表層に溶け、急速な海洋酸性化を招いている。まだ深層水には海洋酸性化の影響がそれほど及んでいない。


以下、時代を切り分けて簡単に過去3億年間に起こった海洋酸性化の歴史を概観する。

1、Late Pleistocene deglacial transitions
更新世後期の退氷期。その中でも特に直近の退氷期である最終退氷期(19-11Ka)。
6.2Kaの間にpCO2は76ppm上昇、pHは0.15±0.05低下。
深層水の炭酸系は堆積物コア中の底性有孔虫などを用いて復元されているが、海盆ごとに結果が様々で、解釈が難しい。局地的な海洋循環などの影響と全球的な影響を分けて考える必要がある。

2、Oligocene-Pliocene
漸新世から鮮新世にかけて(34-2.4Ma)。その中でもPliocene Worm Periodと呼ばれる温暖期(3.29-2.97Ma)。
気温は全球的に2.5℃ほど現在より高く、pCO2は330~400ppmの間。pHは0.06-0.11ほど低かったと考えられる。石灰化生物の大きな絶滅は確認されず。

3、Paleocene-Eocene
暁新世から始新世にかけて。特にPETM(Paleocene-Eocene Thermal Maximum; 56Ma)の急激なpCO2上昇。同様の小さな変動がlate-Paleoceneとearly-Eoceneにも(58-59Ma)。
ともに温室効果で温暖化。
どちらもδ13Cの大きな負の変化を伴っており、原因としてはメタンハイドレートの大規模崩壊が有力視されている。
供給された炭素の起源や速度、量に依存するが、およそpHは0.25から0.45低下したと見積もられる。
また急激な海洋酸性化により炭酸塩の保存度が大きく低下。
炭酸塩補償深度も現在の平均4kmからおよそ2kmに上昇した(より炭酸塩が溶けやすい海水に変化)。
ただし古環境記録も局地的な海洋変動によって記録が歪められている可能性有り。解釈には注意が必要。
特に深海の底性生物の大きな絶滅を伴っているが、海洋酸性化・温暖化・酸素濃度低下が同時に起こっているため、原因を1つに求めることはできないと考えられる。
浅海域では石灰藻・サンゴの生態系が崩壊し、大型底性有孔虫が支配的に。サンゴ礁の危機(reef crisis)の1つ。

4、Cretaceous and Cretaceous-Paleogene
白亜紀と白亜紀から古第三紀にかけて。
特に隕石衝突による恐竜の絶滅と新生代の始まり(65Ma)が有名だが、隕石衝突によってSO2と硝酸が大気中にばらまかれ、大量の酸性雨が海洋表層の酸性化を招いたと考えられる。
浮遊性有孔虫は大きく絶滅したが、一方で底性有孔虫やサンゴは特に大きな絶滅は伴っていない。
記録が限られていることや多くの要因が絶滅に関係しているため、海洋酸性化の影響のみを考えることは現時点では不可能に近い。

5、Cretaceous and Jurrasic oceanic anoxic events
中生代において海洋無酸素事変(OAE)が起こった時期。特にOAE 2(~93Ma)、OAE1a(~120Ma)、Toarcian OAE(~183Ma)。
火成岩が大量に生産された時期(large igneous province)に相当することから、火山活動活発化による二酸化炭素濃度上昇とそれに伴う温暖化、海洋酸性化が原因として考えられている。

Toarcian OAEでは650-2000年の間、δ13Cが負にシフトしている。
またこの時期にもサンゴ礁(特にサンゴとカイメン)危機が起こっていたとされる。

6、Triassic-Jurassic
三畳紀からジュラ紀にかけて。
T/J境界(~200Ma)において大量絶滅が起こったが、大西洋中央部のマグマの貫入と同時に起きていることから、二酸化炭素濃度上昇とそれに伴う温暖化、海洋酸性化が原因の1つとして考えられる。サンゴ礁と造礁サンゴは壊滅した。
pCO2の見積もりが間接指標間で食い違う。境界を挟んで二倍になったというのは整合している。
例えば植物の葉の気孔密度の変化からの見積もりは700ppm→2000ppm
古土壌中の炭酸塩からの見積もりは2000→4400ppm
絶滅が熱帯でより起こっていることから、海洋酸性化よりもむしろ温暖化が絶滅の原因として考えられる。

7、Permian-Triassic
ペルム紀から三畳紀にかけて。
P/T境界(252.3Ma)において顕世代で最大の大量絶滅が起こったが、シベリア大陸形成(地球史上最大の大陸形成であったらしい、Siberian trap basalt)によって二酸化炭素が2千-40万年間に大量にもたらされたことが原因として考えられている。
比較のために現代との対比を考えると、P/T境界での二酸化炭素放出は年間〜0.1PgCであったが、2008年現在では年間9.9PgCである(およそ100倍)。
まだpHや炭酸イオン濃度低下の直接的証拠は得られていないが、海洋無酸素、有光層の硫化水素濃度上昇、温暖化の証拠が得られている。
炭酸塩未飽和や炭酸過剰症に対する耐性がある生物は生き残ることができたらしい。


ここで浮上する疑問。

「将来の鏡となる地質学的な時代はあるか?」

重要なのはやはり「速度」とそれに対する「炭酸塩の緩衝の有る無し」で、その意味ではmiddle-Miocene、Oligocene、Cretaceousなどは将来の鏡にはならない。
また最終退氷期(他の退氷期も同様)の二酸化炭素濃度変化は海洋や陸域の炭素リザーバーの変化で、能動的な大気への二酸化炭素の注入は伴わないので将来の鏡にはならない。
PETMやT/J境界、P/T境界は将来の鏡になる可能性を秘めているが、これらの記録は一般に少ない。問題としては年代決定の精度の甘さと質の良い堆積物コアが得られないことにある(古ければ古いほど岩石化が進行する)。
軌道要素の変化に伴うδ18Oの変化(例えば、歳差運動の21万年周期)などを組み合わせて年代決定を高精度にする必要がある。年代が求まれば炭素放出の速度が決まるが、この放出が一定の速度で出るのか、短期間にどかっと出るのかでもその後の環境変動は異なるので注意する必要がある。
モデルシミュレーションも大きな力になるが、炭素放出の速度と量が分からないことにはどうしようもない。

より高解像度のデータを蓄積する必要があるのは言うまでもない。


もう1つの話題。

「地質学から将来の気候変動予測にどう貢献するか?」

結論から言うと、今の二酸化炭素放出は過去3億年を見ても存在しないほどの早さで進行しており、我々は将来生態系がどう対応するかはいくら過去を見ても分からない。

また今回のレビュー論文では主に海洋酸性化に特化して話をしているが、実際には温暖化と海洋無酸素の状態が同時に起こっているため、本来は切り分けるものではない。
それらの環境変動はどの時代(現在も過去も)においても同時に進行しているため、地質学は将来の気候変動を考える上で役に立つという強みがある。

過去の記録を復元する際に力になるのは将来の(或いは過去の)海水を模した飼育実験と新たな間接指標の開発である。
しかし過去においては海水そのものの組成が変化していたと考えられ、また堆積物が続成作用によって地球化学的に変質を受けてしまうこともあるため、解釈には十分注意する必要がある。

例えば海水中のMg濃度も当然過去においては変化していたはずで、それを反映してHigh-Mg方解石を持つ石灰化生物が卓越していたこともあった。(High-Mg方解石は方解石よりも溶けやすい)
PETMの含まれるNeogeneやPermianにはHigh-Mg方解石を持つサンゴが卓越していたが、一方でLate JurassicからPaleogeneにかけてはLow-Mg方解石を持つサンゴが卓越していた。
鉱物学的な類似という点では現在のサンゴ礁はLate JurassicからPaleogeneのサンゴ礁に類似しており、海洋酸性化と石灰化生物の応答を考える上ではやはりP/T境界やT/J境界が適しているとも言えそうである。


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※コメント
僕自身の研究はサンゴのδ11Bを使って最終退氷期の海洋表層pH変動を探っている。またその間接指標の開発も手がけている。
Honisch et al. (2012)が指摘するように最終退氷期の二酸化炭素上昇とpH低下は現在進行している海洋酸性化とはメカニズムも全く異なるし、完全な将来の鏡にはなりえない。
ただし炭素循環の理解そのものから我々の知識はまだ十分に足りておらず、直近の証拠が多数得られている最終退氷期の炭素循環すら満足に説明できていない。カギになるのはシミュレーションだと考えていて、証拠を多数集め、モデルを組み立て、再現し、そして将来予測に役立てるという一連の流れは従来通り変わらないと思っている。

古い時代の記録は重要だが背景場(大陸配置、海水組成、生物種組成)が全く異なるため本当に将来の鏡となり得るかにも疑問がある。得られる証拠も限られている。またそれをモデルで再現するのは至難の業である。

もちろん様々な時代を扱って総合的に地球の環境を理解することは必要であって、古い時代をないがしろにするわけではないが、まずは最終退氷期、そして氷期-間氷期の炭素循環を明らかにすることが第一であると考える。PETMには非常に関心を持っている。機会が得られれば研究対象としてみたい。