| 研究課題/領域番号 |
26420491
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| 研究機関 | 神戸大学 |
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研究代表者 |
中山 恵介 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60271649)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | メタン / 地球温暖化 / 成層場 / 溶存酸素 / 内部波 / 寒冷地 |
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| 研究実績の概要 |
温室効果ガスとしての効果が二酸化炭素に比較して25倍であるメタンの発生量の4分の1は，北極圏からのものであることが報告されている．地球温暖化ガスとしての半減期は二酸化炭素の方が長いが，地球規模での環境変動が極域で顕著に現れることを考慮するとメタンガスの影響は計り知れない．実際，北極圏の永久凍土が溶け出し湖沼が発生し，富栄養化することでより多くのメタンガスを生成する可能性が指摘されている．そこで本研究では，寒冷地域における湖沼からのメタンガスの発生に関するモデル化を行うことを目的とし，大量のメタンガスを発生していることで知られている網走湖を対象とし現地観測および数値解析を行った．網走湖は北海道東部に位置する汽水湖であり，定期的に塩水が進入してくることにより強固な成層場が形成される．そのため，底層に蓄積されたヘドロ状の底泥からメタンが放出され，硫酸還元菌により若干抑制はされるが下層において高濃度のメタンが蓄積されることとなる．これまでの研究で，ヘドロ状の底泥から発生するメタンは直上の溶存酸素濃度の関数であることが示されており，その関係を利用したモデル化が試みられてきた．メタンのモデル化において重要となる3次元における流れ場およびスカラー量の移流拡散について，良好な再現計算結果を得ることが出来ており，残された問題は上層における好気状態下でのメタン濃度減衰率であった．昨年度までの計測結果を利用し，過去の他の研究者による研究結果も考慮することにより，好気状態下でのメタン濃度減衰率を推定することが出来た．その結果，鉛直フラックスの見積もりにより，ヘドロ状の底泥からのメタン発生量，下層における硫酸還元菌による減少量，下層から上層への成層によるスカラー量の抑制を考慮したメタンフラックス，上層における好気状態下でのメタン濃度減少量，および上層から大気への放出量をモデル化することが出来た．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
過去の研究において，アラスカにおけるメタン発生量に関する研究を利用し，網走湖における詳細なデータを使用することで，ヘドロ状の底泥から発生するメタンフラックスは底泥直上の溶存酸素濃度の関数として現されることが分かっている．本研究での最終目的であるメタンのモデル化に関しては，3次元流動場の再現性についてオブジェクト指向型プログラミングを利用することにより並列計算が可能となった数値計算モデルを使用することで，必要となる計算精度を満足することが出来ている．そこで当該年度では，メタンの鉛直方向のフラックスに関する検討を行い，下層における硫酸イオンによるメタン濃度減少，下層から上層におけるメタンフラックス，上層における好気状態下でのメタン濃度減少，上層から大気へのメタンフラックスの推定を行った．ヘドロ状の底泥から発生したメタンフラックスを利用し，現地観測で得られた下層におけるメタン濃度を再現できる，硫酸イオンによるメタン濃度減少のモデル化に成功した．続いて，強固な成層により抑制されている下層から上層へのメタンフラックスに関して，分子粘性による拡散によりモデル化出来そうだということが示された．上層は大気に触れていることから好気状態下にあり，その状態におけるメタン濃度の減少に関しては室内実験を行うことでモデル化に成功した．それらを組み合わせることにより，過去の研究において示されていた水面から大気へのメタンフラックスを再現できることを確認することが出来た．
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| 今後の研究の推進方策 |
網走湖を対象とした研究により，静穏な状態における鉛直方向のメタンフラックスに関するモデル化が可能となった．しかし，これまでの検討の中で，上層と下層の密度界面が不安定となる場合において，大量のメタンフラックスが下層から上層へと与えられ，その結果，急激に大量のメタンガスが水表面から放出されていることが分かってきた．そこで今後の推進方策として，密度界面が不安定となる場合における下層から上層へのスカラー量のフラックスの推定を行いたいと考えている．手法としては，代表者が有する実験水槽を利用した再現実験を検証用データとし，3次元数値計算モデルによる解析を実施する．室内実験を対象とする理由は，密度界面の不安定現象が動水圧成分により引き起こされるためであり，実現象を対象とする場合，3次元数値計算において莫大なメモリおよび時間を要するため，様々な種類のケースを検討するためには室内実験規模を対象とするのが理想的であるという理由からである．なお，昨年度までの成果に関して，現在，関連する国際雑誌に投稿中である．
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