木々にフィットビット（のようなもの）を贈ろう

風に揺れる木々を見て、植物の静けさ、空気と相互作用する生命の催眠術のような往復運動を思い浮かべるかもしれません。科学者たちはそれを評価するだけでなく、別の側面も見ています。それは、動き続けるデータです。木の動きは、その生態、地域の水文学、そして景観全体について多くのことを物語っていることが分かっています。そして、木の揺れを測る最良の方法は、防水ダクトテープでフィットネストラッカーを木の幹に固定することです。

いわば、フィットネストラッカー、植物のための定量化された自己と言えるでしょう。研究者たちは市販の加速度計を用いて、樹木が時間の経過とともにどのように揺れるかを数値化してきました。気温が高い時と低い時、水分が多い時と少ない時、雪の重みがある時と無い時などです。「私はこれを樹木版フィットビットと呼びたいんです」と、加速度計を使って樹木を研究しているコロラド大学ボルダー校の都市生態学者、デイドラ・イェーガー氏は言います。「これは樹木の活動を高解像度でモニタリングするものです。人間が活動の高解像度モニタリングによって、どれだけのエネルギーを消費しているか、どれだけの睡眠をとったかといった指標を教えてくれるのと同じです。」

研究者たちが本当に監視したいことの一つは、樹木がどれだけの水を吸収しているかだ。降水量を測るということは、空から降り注ぎ、液体として地面に染み込んだり、積雪の一部になったりする水の量を追跡するほど単純ではないことがわかった。樹木は実際には多くの水を「遮断」し、樹冠に雨や雪を集めている。実際、森林の種類によっては、降雪の最大半分が樹冠に閉じ込められる。つまり、雪はそこに留まり、太陽の光を浴びて多くの水分を蒸発させ、地中の水分を奪ってしまうのだ。一方、林床に降り積もった雪は日陰になり、融解が遅くなる。

森林水文学モデルはこうした複雑な問題への対応に苦戦しています。しかし、加速度計を用いることで、科学者たちは森林内の特定の樹木がどれだけの雨や雪を吸収しているかを測定する新たな方法を手に入れました。「実際にどれだけの雨や雪が地面に降り注ぐのかは、大きな疑問です」とオレゴン州立大学の水文学者マーク・レイリー氏は言います。「樹木が倒れた後に地面で測定することも可能ですが、それをどのように予測できるかという点には大きな関心が寄せられています。特に、森林の水資源管理を考える上ではなおさらです。」

ローリー氏自身の実験は2014年に始まりました。彼のチームはコロラド州の荒野に足を踏み入れ、すでに他の科学プロジェクトのためにデータを収集していた塔の隣で2本の木を見つけました。彼らは加速度計をビニール袋に密封し、木にテープで貼り付けました。Fitbit、Apple Watch、スマートフォンのように、これらのデバイスは微細な動き、特に樹冠に積もった雪の重さを示す独特の揺れパターンを測定できます。

研究者たちは6年間にわたり、毎秒12回の測定を行い、2本の木の動きに関する非常に詳細なデータセットを構築した。「木は基本的に、風の動きによって振動します」と、Water Resources Research誌に最近掲載されたこの研究に関する論文の筆頭著者であるレイリー氏は述べている。「木が揺れる頻度は、質量だけでなく、木の硬さにも左右されます。」

これらの変数はどちらも年間を通して絶えず変化しています。冬には木々は凍って硬くなり、雪に覆われて質量が増加します。夏には木々は雪を落とし、温まって緩みます。

ローリー氏と同僚たちは気温の測定値も取得していたため、季節を通して剛性と質量がどのように変化したかを追跡することができました。さらに、カメラを木に向けることで、枝にどれだけの雪が積もったかを確認しました。「木の揺れの周波数の低下を探しています。これは質量が加わっていることを示しています」とローリー氏は言います。言い換えれば、雪に覆われた木は揺れが遅くなり、往復運動に時間がかかるということです。

ウィリアム・アンド・メアリー大学の生態水文学者、ドム・シルッツィ氏は、雨にも同様の加速度計技術を用いて、森林生態系における水の流れをより深く理解しようとしています。木が寒さで硬くなるのと同じように、水分含有量は木の揺れ方に影響を与えます。水分が不足すると、木の内部の配管にかかる圧力が低下し、幹が曲がりやすくなります。乾燥も木の質量を減少させ、動き方をさらに変化させます。「木は夜間にある周波数で揺れ、日中は水分不足のときに異なる周波数で揺れます。こうした日々のシグナルは、木に表れています」とシルッツィ氏は言います。

雨が降ると、木は根から水を吸い上げて質量を増やし、葉に水が溜まるにつれて上部が重くなります。さらに複雑なことに、雨が止んで気温が再び上昇すると、木は上部（日光を浴びる部分）から下部（周囲の木々に日陰になる部分）まで乾燥していきます。「そのため、遮断された水の質量は樹冠の根元付近により多く分散します」とシルッツィ氏は言います。「そして、樹冠下部への質量分散は、同じ質量が樹冠上部に分散している場合よりも、木の揺れを少し速くします。」

これらすべては加速度計のデータに表れます。もちろん、土壌水分を監視するためのプローブや、空から何が降っているかを把握するための雨量計を使うこともできます。しかし、Ciruzzi氏はこう言います。「加速度計、あるいは単に木の揺れを監視することで、一般的に複数のプロセスを同時に監視することができます。つまり、水ストレス、つまり木のストレス状態は、土壌の水分量を示す指標にもなります。」

コロラド大学ボルダー校では、イェーガー氏は加速度計を用いて都市の樹木について何がわかるかを研究している。森の常緑樹が雪を積むにつれて質量が増すように、裏庭や公園の落葉樹も毎年花を咲かせるにつれて質量を増し、秋に葉を落とすと質量が減少する。イェーガー氏は、樹木の揺れが時間とともにどのように変化するかにも、同じ兆候を見ることができる。「花の発達に合わせて質量の変化が検知され、その後、花が開き花粉が風に飛ばされると質量が減少しました」とイェーガー氏は言う。「これは本当に興味深いことです。なぜなら、リモートセンシングツールを使っても、植物の開花を捉えるのは非常に難しいからです。」

例えば、衛星画像では木々がいつ緑化していくかしか分からない。1年間を通して木々の成長を完全に把握するには、科学者は定期的に木々を訪れ、葉の変化を記録する必要がある。しかし、加速度計を使って質量の変化を検知すれば、木々の開花時期を遠隔で判断できる。「これは花粉予測に非常に役立つでしょう」とイェーガー氏は言う。また、木々を食い荒らして病気にし、加速度計のデータに現れる可能性のある質量減少を引き起こす、アオナガアオノリのような外来昆虫の到来についても、事前に警告を発することができる。

木に取り付けられた加速度計は、従来のセンサーに取って代わるものではなく、それらを補完するものとして機能しうる。シルッツィ氏とローリー氏は、ビデオカメラを使って広範囲にわたる木々を監視する方法も検討し始めている。ビデオカメラを使えば、一度に多くの木々の全体的な動きに関するデータが得られる。一方、各加速度計は1本の木の動きしか追跡できない。「ビデオから個々の木の揺れの周波数を取得することは確かに可能ですが、そうすると、1つのシーンで複数の木を見ることになってしまうのです」とローリー氏は言う。「『木を見て森を見ず』ということわざがありますが、これはある意味逆です。森全体を、全体として何が重要になるかとして捉えるのです。」

地球温暖化が進む中、森林をより深く理解することはますます重要になっています。アメリカ西部は歴史的な干ばつに見舞われており、水資源を積雪に大きく依存しています。樹木に閉じ込められた雪が実際にどれだけ失われているのかを推定し、気候変動がこの動態にどのような影響を与えるかをモデル化できれば、水資源管理者は戦略を変更するために必要なデータを得ることができるかもしれません。「積雪量を最大化するために森林管理の意思決定を戦略的に変更しようとしている場合、これは非常に重要な情報です」とローリー氏は言います。

イェーガー氏の都市部の樹木も、ヒートアイランド現象によって気候変動の脅威にさらされている可能性があります。ヒートアイランド現象は、都市部を周辺の農村部よりもはるかに高温にします。樹木に加速度計を取り付けることで、急激な気温上昇に対してどの樹種がより耐性があるかを特定できる可能性があります。「私たちは、どの樹木が極端な気象条件下においても順調に育っているかを知りたいのです」とイェーガー氏は言います。「モニタリングは、都市部の森林の将来、そして将来の気候にも適応できる次世代の樹木を計画する上で、非常に重要な役割を果たすでしょう。」

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