氷河融解を加速する3大光吸収性不純物の定量評価

• 研究課題/領域番号: 20H00196
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 坂井 亜規子 名古屋大学, 環境学研究科, 准教授 (40437075)
• 研究分担者: 谷川 朋範 気象庁気象研究所, 気象予報研究部, 主任研究官 (20509989) ; 竹内 望 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (30353452) ; 青木 輝夫 国立極地研究所, 北極観測センター, 特任教授 (30354492) ; 的場 澄人 北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (30391163) ; 松井 仁志 名古屋大学, 環境学研究科, 准教授 (50549508) ; 大畑 祥 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 助教 (70796250)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 45,370千円 (直接経費: 34,900千円、間接経費: 10,470千円); 2024年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2023年度: 8,450千円 (直接経費: 6,500千円、間接経費: 1,950千円); 2022年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2021年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2020年度: 20,280千円 (直接経費: 15,600千円、間接経費: 4,680千円)
• キーワード: 光吸収性不純物 / 氷河 / 鉱物粒子 / 黒色炭素 / 雪氷微生物 / 氷河質量収支 / 鉱物 / 有機物

研究開始時の研究の概要

アジア高山域において氷河は水資源としての重要な役割を持つが、近年の温暖化による氷河縮小による将来の水資源枯渇が危惧されており、氷河の将来予測を高精度にすることが求められている。氷河の融解に影響を与えるのは気温のみではなく、氷河表面の不純物が日射量の吸収を促進し、融解を加速させることが知られており、氷河変動モデルの高精度化には不純物の影響を考慮することが鍵となる。本研究では代表的な氷河上不純物として鉱物粒子、黒色炭素、雪氷微生物の3つに着目し、氷河表面における各不純物の量の変動、そして各不純物濃度と日射の吸収率との関係についてについて明らかにし、氷河変動流出モデルの高精度化を行う。

研究実績の概要

氷河の表面アルベド（反射率）は、氷河表面に存在する鉱物や黒色炭素等の不純物によって値が下がり、日射を吸収しやすくなる。さらに、氷河消耗域では、氷が日射の吸収によって粒界などが融解し、氷が大きな雪粒のような多孔質体（風化氷）となり、この風化氷のため光は散乱され、さらに不純物が氷粒によって隠されるために、アルベドが高くなる作用が働くと考えられる。しかし、これまで実際の氷河においてアルベドと不純物量、風化氷の三者の関係は観測されたことが無かった。
今年度と昨年度とられたデータを用い、アルベドに対し、鉱物量、有機物量、風化氷厚さがどのような相関関係であるかを解析したところ、鉱物量、有機物量は量が多いほどアルベドを下げる効果があるのに対し、風化氷は厚さが厚いほどアルベドが高くなることが確認された。
さらに、アルベドと3要素（鉱物量、有機物量、風化氷厚さ）の単回帰分析、アルベドを目的変数、3要素を説明変数とした重回帰分析を行うと、アルベドの違いは特に有機物量によって決定していることが明らかになった。
また鉱物量、有機物量の吸収係数を測定した透過率から求め、観測対象となっているポターニン氷河における鉱物量、有機物量の典型的な量を使い、単位面積当たりのそれぞれの吸収量を求めたところ、量的には鉱物量が圧倒的に多いが、有機物の吸収係数が大きく、鉱物の吸収係数が小さいため、放射の吸収量としては有機物が最も効いているという結果になった。上記の回帰分析結果を矛盾なく説明できる結果となり、観測対象としている氷河のアルベドに対する影響は有機物が最も大きいことがわかった。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

コロナ禍のため、最初の2年間観測に行けず、全く観測データをとることができなかったため、遅れ気味である。しかし、観測２年目の2023年度は様々な観測データを所得することができた。2022年度のデータから、対象とする氷河表面は鉱物量が重量的には多いことが明らかとなった。2023年度は氷河表面鉱物のソースを観察することができ、2024年度には鉱物ソースの全体の把握が可能となるデータを取得できる予定である。このデータを取得することによって氷河上に露出する鉱物量が把握できるようになる。また2023年度は鉱物、有機物の吸収係数を測定できるようになった。これにより、3大光吸収性不純物それぞれについて、アルベドを低下させる効果を量的に議論することが可能となった。

今後の研究の推進方策

2024年度は最終年度である。観測は３年目となり、アルベドと不純物の関係についてのデータをさらに取得し、それぞれの年の特徴と気象条件について明らかにすることが第一の目的である。
またこれまでの観測では、ブラックカーボンについては、取得したサンプル数が少なく、オーダーしか明らかになっていなかったが、アルベドとの関係についてブラックカーボンの量的な効果を明らかにするために、スペクトルアルベド測定の際はブラックカーボン用のサンプルを取得する計画でいる。これにより、課題タイトルの「三大光吸収性不純物」の３つ、鉱物、有機物、黒色炭素がそろい、アルベド低下に、どの不純物が量的に効いているのかを量的に明らかにすることができる。
さらには取得した不純物量の吸収係数等を用い、氷面におけるアルベドモデルを作成し、観測したスペクトルアルベド、各不純物の含有状態について解析する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] 気象水文環境研究所(モンゴル)
• [雑誌論文] Absorption properties by irregularly shaped particles with inclusions at visible and near-infrared wavelength regions (2024)
  • 著者名/発表者名: Masuda Kazuhiko、Ishimoto Hiroshi、Tanikawa Tomonori、Stamnes Knut
  • 雑誌名: Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 巻: 321 ページ: 108998-108998
  • DOI: 10.1016/j.jqsrt.2024.108998
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mass balance of four Mongolian glaciers: In-situ measurements, long-term reconstruction and sensitivity analysis. (2022)
  • 著者名/発表者名: Khalzan P, Sakai A, Fujita K
  • 雑誌名: Frontiers in Earth Science 巻: 9 ページ: 785306-785306
  • DOI: 10.3389/feart.2021.785306
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Marked rebound of agricultural fire emissions in Asia after the outbreak of COVID-19 (2022)
  • 著者名/発表者名: Liu Mingxu、Yao Huan、Matsui Hitoshi
  • 雑誌名: Environmental Research Letters 巻: 17 号: 11 ページ: 114059-114059
  • DOI: 10.1088/1748-9326/ac9e69
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Using modelled relationships and satellite observations to attribute modelled aerosol biases over biomass burning regions (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhong, Q., Schutgens, N., van der Werf, G., van Noije, T., Bauer, S. E., Tsigaridis, K., Mielonen, T., Checa-Garcia, R., Neubauer, D., Kipling, Z., Kirkevag, A., Olivie;, D. J. L., Kokkola, H., Matsui, H., Ginoux, P., Takemura, T., Le Sager, P., Remy, S., Bian, H., Chin, M.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 5914-5914
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33680-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Secondary Organic Aerosol Formation Regulates Cloud Condensation Nuclei in the Global Remote Troposphere (2022)
  • 著者名/発表者名: Liu Mingxu、Matsui Hitoshi
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 号: 18
  • DOI: 10.1029/2022gl100543
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Partitioning the Uncertainty of Ensemble Projections of Global Glacier Mass Change (2020)
  • 著者名/発表者名: Marzeion, B., Hock, R., Anderson, B., Bliss, A., Champollion, N., Fujita, K., et al.
  • 雑誌名: Earth's Future 巻: 8 号: 7
  • DOI: 10.1029/2019ef001470
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] モンゴル西部河川流量に対する氷河融解水の寄与 (2023)
  • 著者名/発表者名: Khalzan P, Sadyrov S, 坂井亜規子, 田中賢治, 藤田耕史
  • 学会等名: 雪氷研究大会
• [学会発表] 風化氷作成実験II－単結晶氷を用いて－ (2023)
  • 著者名/発表者名: 坂井亜規子, 荒川逸人, 安達聖, 八久保晶弘, 根本征樹, 鈴木紘一
  • 学会等名: 雪氷研究大会
• [学会発表] モンゴル・アルタイ山脈，ポターニン氷河における氷厚探査及び表面測量 (2023)
  • 著者名/発表者名: 砂子宗次朗, 坂井亜規子, Khalzan P, 佐藤洋太, 石田直也, 福井幸太郎, 藤田耕史
  • 学会等名: 雪氷研究大会
• [学会発表] GAMDAM Glacier Inventory covering High Mountain Asia: 2011 - 2018 (2023)
  • 著者名/発表者名: Akiko Sakai
  • 学会等名: IGS Global Seminar Series
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] アルタイ山脈におけるアルベド解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石田直也, 坂井亜規子, Khalzan P, 藤田耕史
  • 学会等名: 雪氷研究大会
• [学会発表] 風化氷作成実験I (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂井亜規子, 石田直也, 根本征樹, 鈴木紘一, 砂子宗次朗, 飯塚芳徳, 八久保晶弘
  • 学会等名: 雪氷研究大会
• [学会発表] 風化氷と鉱物ダスト量を考慮した氷面アルベドのモデル化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂井亜規子, 竹内望
  • 学会等名: 雪氷研究大会
• [学会発表] Glacier albedo analysis in Altai mountains, 2000-2020 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石田直也, 坂井亜規子, Khalzan P, 藤田耕史
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会