| 研究課題/領域番号 |
22K18738
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| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
尾崎 和海 東京工業大学, 理学院, 准教授 (10644411)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2023年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
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| キーワード | 古生代 / 大気 / 海洋 / 酸素 / アノキシア / 物質循環 / 数理モデル / 生物地球化学 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
古生代カンブリア紀からオルドビス紀の時代（約5.4億年前～4.2億年前）は、多細胞生物の門レベルの多様化や生物大放散事変、および苔類・維管束植物の進化といった生命の躍進が生じた時代として知られている．しかしながら、生命進化に密接に関連していると考えられる大気海洋中の酸素濃度についてはよく分かっていない．本研究は、古生代の大気海洋系の酸化還元状態について物質循環に基づく理論的見地からアプローチする．本研究によって大気海洋化学進化と地質学および古生物学を結び付ける科学的知見が得られることが期待できる．
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| 研究実績の概要 |
本研究計画は、古生代前期（カンブリア紀からオルドビス紀）の大気中酸素(O2)濃度の安定性について、物質循環に基づく理論的見地から明らかにすることを目指している。特に、大気O2濃度が海洋酸化還元状態の遷移領域（アノキシアの縁）に位置するように決まっていたのではないかという仮説を検証する。この目的達成のため、大気海洋系の酸化還元状態を規定する主要生元素（C, P, S）の物質循環過程に内在するフィードバック機構の応答特性を考慮した理論モデルを構築し、これを古生代地球環境へと適用することで、当時の大気海洋系がアノキシアの縁に位置するよう自己調整されていた可能性を定量的に評価する。これにより古生代地球表層環境が貧酸素状態にあった必然的理由が明らかになれば、その後の富酸素な大気海洋状態へと至る地球環境と生命の共進化の全容解明への足掛かりになると期待される。
初年度は、大気海洋酸化還元状態と気候状態を同時に評価できる新規の物質循環モデルの構築作業を行った。特に、研究代表者が開発を行ってきた海洋物質循環モデルCANOPSと炭素循環-気候－地殻進化を扱う理論モデルCOPSEの結合作業を行った。COPSEモデルの地殻進化モデルをCANOPSへ結合する作業は順調に行われ、地質学的時間スケールでの大気中O2濃度の動態をシミュレート可能な理論モデルの開発が完了した。モデルの詳細とソースコードは国際学術誌にて発表した。これに続き、炭素循環モジュールを開発し、その検証作業を行った。その後、これをCANOPSに結合する作業も進めたが、現時点ではモデルの動作に問題があるため、原因特定とコードの修正が必要となっている。このほか、モデル予測を検証するための地質記録（炭素や硫黄の安定同位体比）のデータ収集を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
海洋物質循環モデルCANOPSと地殻進化モデルの結合作業は順調に行われ、大気海洋酸化還元状態の安定性を調べることが可能な理論モデルが開発できた。モデルの詳細やソースコードは当該分野の国際学術誌にて発表した。また、全球炭素循環や気候状態を評価するモジュールの開発も行い、それらの動作確認が完了した。これら本研究の基礎となる理論モデルの構築の進捗を鑑み、進捗は問題ないと判断している。一方、最終的な目標である大気海洋酸化還元状態－炭素循環－気候の結合モデルの開発作業は、モデルの検証作業まで到達したものの、完成には至っていない。特に、炭素循環モジュールをCANOPSモデルへと結合した際にモデルの動作に異常が認められたが、その原因特定に時間を要している。炭素循環過程が大気海洋系の酸素収支に影響する部分の扱いに問題があると判断しているが、ソースコードの修正と検証作業が年度内に完了しなかった。以上のことから、やや遅れていると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
結合モデルの動作不具合の原因特定を最優先事項として進める。個別のモジュールは動作に問題がないことが確認できているため、結合作業に問題があったことは確かである。また、単純化したCANOPSモデルに炭素循環・気候モデルを結合したモデルは無事に動作することも確認できているため、結合モデルに本質的な問題があるわけではなく、結合作業時のバグ混入が原因と思われる。このため、慎重に調査すれば修正は可能と考えている。
結合モデルの開発作業と並行して、古生代の地球環境をシミュレートする際のフォーシングデータ（脱ガス率や大陸面積の時間変化など）の整備・収集も進める。また、アノキシアの縁の位置特定を行うためのスキーム開発も進め、結合モデルの開発が完了次第すみやかにアノキシアの縁との関係性を調査できるように準備を進める。このほか、モデル検証のための地質記録の収集やモデル予測の不確定性評価のための統計的手法の精査も並行することで、円滑に研究課題が達成できるよう準備する。
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