同位体比を用いた大気中メタンの全球的変動原因の解明

• 研究課題/領域番号: 20H01966
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分17020:大気水圏科学関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 森本 真司 東北大学, 理学研究科, 教授 (30270424)
• 研究分担者: 青木 周司 東北大学, 理学研究科, 学術研究員 (00183129) ; 後藤 大輔 国立極地研究所, 先端研究推進系, 助教 (10626386)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2023年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2022年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2021年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2020年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
• キーワード: 温室効果気体 / 物質循環 / メタン / 同位体比

研究開始時の研究の概要

本研究では、重要な温室効果気体である大気中のメタン（CH4）濃度と、CH4放出源に関する情報を持つCH4の炭素・水素同位体比について、北半球高緯度域、南極域、そして西部・北部太平洋域での精密観測を実施・強化し、その変動の実態を明らかにする。さらに、CH4同位体比を計算可能な大気モデルを用いて解析することにより、大気中のCH4濃度の変動に寄与しているCH4放出源の特定を目指す。

研究実績の概要

大気中のメタン(CH4)は、二酸化炭素に次いで重要な温室効果気体であることからその動態が注目されている。より確実なCH4濃度の将来予測を行うためにはCH4の変動メカニズム解明が急務であるが、CH4の生成消滅過程が非常に複雑であることや、大気中CH4濃度の観測のみからは大気中バックグランドCH4濃度の変動原因に関する情報を得ることが困難であること等の理由から、CH4濃度の変動原因について十分な理解が得られているとは言えない。本研究では、北半球高緯度域・北極域、南極昭和基地、そして北太平洋・西太平洋域における系統的なCH4濃度観測と、CH4放出源に関する情報を持つCH4の炭素・水素同位体比の高精度観測を行い、全球のCH4濃度・同位体比の変動を明らかにするとともに、大気中CH4濃度の変動に寄与した放出源変動に関する知見を得ることを目的とする。
これまでに得られたCH4濃度及びCH4同位体比の全球時系列データについて、それらの季節変化及び経年変化、そして緯度方向の変動について解析を開始した。まずCH4濃度と炭素・水素同位体比の季節変化成分に関する解析からは、南半球低緯度域よりも北側ではOHラジカルによるCH4消滅反応が季節変化に大きく寄与しているが、南緯30-38度付近では、OHに加えてClラジカルとの反応も季節変化に影響していることが示唆された。西太平洋域でのCH4同位体比観測値を太平洋中央部でアメリカNOAAが観測している観測結果と比較すると、北半球の夏季は西太平洋域でCH4濃度が低く炭素同位体比が高いこと、そして冬季には逆に西太平洋域で濃度が高く同位体比が低いことが示された。これらは、OHラジカルによるCH4消滅量の経度方向の変化や、西太平洋域では陸域CH4放出源の影響を受けた大気を観測していること等が原因と考えられる。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

これまで人手と時間を要していたCH4炭素・水素同位体比の分析システムについて、当初計画通りの改修と改造を行うことで分析精度を維持したまま半自動化を達成した。さらに、世界各地で定期的に採取した大気試料について、CH4濃度と同位体比の高精度時系列観測を遅滞なく分析するためのフローを確立した。 新型コロナウイルスの蔓延による国際物流の停滞から、北半球高緯度域・北極域で採取された大気試料の国内への輸送が遅延していたが、2022年度後半に国際物流が復旧し始めたことから、大気試料輸送も正常に戻りつつある。半自動化された同位体比分析システムをフル稼働することによって当初計画通りの試料分析が進んでおり、観測データの解析やモデル解析も当初計画通り進行中である。

今後の研究の推進方策

当初の研究計画に沿って、大気中CH4濃度及び同位体比の大気観測と、観測されたそれらの変動の解析を継続する。

研究成果

• [国際共同研究] Environment and Climate Change(カナダ)
• [国際共同研究] National Inst. Water and Atmosphere(ニュージーランド)
• [国際共同研究] University of Colorado, Boulder/NOAA(米国)
• [国際共同研究] Environment and Climate Change Canada(カナダ)
• [国際共同研究] Environment Canada(カナダ)
• [雑誌論文] Estimating emissions of methane consistent with atmospheric measurements of methane and d13C of methane (2022)
  • 著者名/発表者名: Basu, S., X. Lan, E. Dlugokencky, S. Michel, S. Schwietzke, J. B. Miller, L. Bruhwiler, Y. Oh, P. Tans, F. Apadula, L. V. Gatti, A. Jordan, J. Necki, M. Sasakawa, S. Morimoto, T. D. Iorio, H. Lee, J. Arduini, and G. Manca
  • 雑誌名: Atmos. Phys. Chem. 巻: 22 号: 23 ページ: 15351-15377
  • DOI: 10.5194/acp-22-15351-2022
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 石油・ガス、炭鉱、畜産部門からの排出による過去30年間のメタン濃度の増加 (2021)
  • 著者名/発表者名: Chandra, N., P. K. Patra, J. S. H. Bisht, A. Ito, T. Umezawa, N. Saigusa, S. Morimoto, S. Aoki, G. Janssens-Maenhout, R. Fujita, M. Takigawa, S. Watanabe, N. Saitoh, J. G. Canadell
  • 雑誌名: 気象集誌. 第2輯 巻: 99 号: 2 ページ: 309-337
  • DOI: 10.2151/jmsj.2021-015
  • NAID: 130008024850
  • ISSN: 0026-1165, 2186-9057
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spatio-temporal variations of the atmospheric greenhouse gases and their sources and sinks in the Arctic region (2021)
  • 著者名/発表者名: Morimoto Shinji, Goto Daisuke, Murayama Shohei, Fujita Ryo, Tohjima Yasunori, Ishidoya Shigeyuki, Machida Toshinobu, Inai Yoichi, Patra Prabir K., Maksyutov Shamil, Ito Akihiko, Aoki Shuji
  • 雑誌名: Polar Science 巻: 27 ページ: 100553-100553
  • DOI: 10.1016/j.polar.2020.100553
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Estimation of CH4 emissions from the East Siberian Arctic Shelf based on atmospheric observations aboard the R/V Mirai during fall cruises from 2012 to 2017 (2021)
  • 著者名/発表者名: Tohjima Yasunori, Zeng Jiye, Shirai Tomoko, Niwa Yosuke, Ishidoya Shigeyuki, Taketani Fumikazu, Sasano Daisuke, Kosugi Naohiro, Kameyama Sohiko, Takashima Hisahiro, Nara Hideki, Morimoto Shinji
  • 雑誌名: Polar Science 巻: 27 ページ: 100571-100571
  • DOI: 10.1016/j.polar.2020.100571
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Global and regional CH4 emissions for 1995-2013 derived from atmospheric CH4, d13C-CH4 and dD-CH4 observations and a chemical transport model (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujita, R., S. Morimoto, S. Maksyutov, H.-S. Kim, M. Arshinov, S. Aoki, and T. Nakazawa
  • 雑誌名: J. Geophys. Res., Atmospheres 巻: - 号: 14 ページ: 1-23
  • DOI: 10.1029/2020jd032903
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Temporal Variations of the Mole Fraction, Carbon, and Hydrogen Isotope Ratios of Atmospheric Methane observed at Churchill, Canada (2023)
  • 著者名/発表者名: Ozaki, T., S. Morimoto, R. Fujita, T. Umezawa, D. Worthy and D. Goto
  • 学会等名: Seventh International Symposium on Arctic Research
  • 国際学会
• [学会発表] 西太平洋域及び極域での大気中CH4濃度とその炭素・水素同位体比の変動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森本真司，保田真人，藤田遼，梅澤拓，青木周司
  • 学会等名: 日本気象学会秋季大会
• [学会発表] カナダ・チャーチルにおける大気中メタン濃度とその炭素・水素同位体比の変動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 尾崎智乙，森本真司，藤田遼，Doug Worthy,梅澤拓，後藤大輔
  • 学会等名: 大気化学討論会
• [学会発表] Laboratory comparison and progress on the development of community reference gases for carbon and hydrogen isotope ratios in the atmospheric CH4 (2022)
  • 著者名/発表者名: Sperlich, P., G. Brailsford, R. Moss, T. Bromley, S. Gray, R. Martin, S. Bury, J. Brown, H. Moossen, M. Rothe, H. Geilmann, W. Brand, S. Englund-Michel, T. Umezawa, T. Roeckmann, D. Lowry, J. Schmitt, S. Morimoto, T. Arnold, M. Dyonisius,J. R. Clark
  • 学会等名: Greenhouse gases measurement and technology
  • 国際学会
• [学会発表] Temporal variations of the mole fraction, carbon and hydrogen isotope ratios of atmospheric methane in the western Pacific region (2021)
  • 著者名/発表者名: Yasuda, M., S. Morimoto, S. Aoki, R. Fujita, T. Umezawa
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] Variations of atmospheric carbon dioxide and its radioisotope in the Arctic Region. (2021)
  • 著者名/発表者名: Sekine, H., S. Morimoto, C. Yamada, D. Goto, M. Minami, T. Nakamura, S. Aoki
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] 大気中メタン濃度の変動と現代の同位体測定の課題 (2021)
  • 著者名/発表者名: 梅澤拓、寺尾有希夫、遠嶋康徳、丹羽洋介、伊藤昭彦、森本真司、Naveen Chandra、Prabir K. Patra
  • 学会等名: 地球化学会第68回年会
• [学会発表] Atmospheric d13C(CH4): An honest assessment from the closed-toed shoes in the lab (2021)
  • 著者名/発表者名: Michel, S., P. Sperlich, H. Moossen, J. R.Clark, K. S. Rozmiarek, M. Rothe, B. Vaughn, G. Brailsford, R. Fisher, E. Nisbet, T. Roeckmann, S. Morimoto, J. Schmitt
  • 学会等名: The Royal Society
  • 国際学会
• [学会発表] Studies on variations of atmospheric greenhouse gases in the ArCS project 2015-2019 (2020)
  • 著者名/発表者名: Shinji Morimoto, Daisuke Goto, Shohei Murayama, Ryo Fujita, Yasunori Tohjima, Shigeyuki Ishidoya, Toshinobu Machida, Kazuhiro Tsuboi, Yoichi Inai, Prabir Patra, Shamil Maksyutov, Akihiko Ito, Shuji Aoki
  • 学会等名: The Eleventh Symposium on Polar Science
  • 国際学会