ロサンゼルスの二酸化炭素排出量を宇宙から監視する観測所

多くの人は、晴れ渡った空、近くの海、あるいはロサンゼルス盆地を囲む山々に惹かれるかもしれないが、環境エンジニアのアンマリー・エルダーリング氏は、この街のスモッグに惹かれた。「ここは最高の場所よ」と彼女は言う。「大気汚染がひどいのよ！」

都市部は、大気中に放出される人為的な二酸化炭素排出量の70%以上を占めており、ロサンゼルスも例外ではありません。1,300万人以上の住民を抱える大都市圏、高度に発達した高速道路網、そして国際的な交通ハブを擁するロサンゼルスは、世界都市の中で5番目に多くの二酸化炭素を排出しています_。そのため、ロサンゼルスは気候変動における人間の役割を研究するのに最適な場所となっています。

エルダーリング氏は、NASAの軌道上炭素観測衛星3号（OCO-3）のプロジェクトサイエンティストです。OCO-3は、宇宙から大気中のCO2濃度を測定する観測装置_で、植物、土壌、海洋、大気が相互に炭素を交換するプロセスである自然炭素循環に対する人間活動の影響をより深く理解することを目指しています。今月発表された論文で、エルダーリング氏と同僚は、ロサンゼルス盆地におけるCO2排出量の変動を宇宙から見たこれまでで最も詳細な地図を発表しました_。この研究は、宇宙設置型観測装置を用いて汚染ホットスポットの広範囲にわたるデータを収集できることを実証しており、気候変動対策の政策策定に役立つ情報となる可能性があります。

「OCO-3の結果で素晴らしいのは、ロサンゼルスのような都市のこのようなエリアマップを宇宙から取得できたのは初めてだということです」と、カリフォルニア工科大学のポスドク研究員で、地上設置型地球観測システム「Total Carbon Column Observing Network（総炭素柱観測ネットワーク）」に携わるジョシュア・ラフナー氏は語る。大気中の炭素濃度が時間とともにどのように変化するかを正確に観測するのには有用だが、TCCONのような観測機器は運用コストが高く、熟練した科学者との協力関係が必要となるため、データ収集は特定の地域に限られる。一方、軌道上の観測衛星は、火山や炭素排出量は多いが監視リソースが少ない都市など、地上からの調査が難しい地域を観測することができる。

2019年に打ち上げられたOCO-3は現在、国際宇宙ステーションに搭載されており、NASAのプレスリリースによると、平均3日間で地球上のほぼすべての都市を観測できるという。これは、現在も運用中の前身機OCO-2の改良版だ。OCO-2は幅10キロメートルのデータしか収集できず、太陽同期軌道上に固定され、ロサンゼルス上空を約8日ごとに同じ時刻に通過するため、ロサンゼルスの大気中のCO2濃度を午後1時半にしか測定でき_ない。

「OCO-3のおかげで、空間的な範囲だけでなく、都市を様々な時間帯で観測できるようになったため、時間的な範囲もはるかに広くなりました」と、都市の排出量分析でチームと緊密に協力しているカリフォルニア工科大学の博士研究員ディエン・ウー氏は語る。OCO-3は単一の地点を複数回スキャンし、わずか2分で約80平方キロメートルのスナップショットを撮影することができる。

エルデリング氏のチームが作成したこの地図上の各ピクセルの色は、地上約1.3マイル（約2km）の領域における大気中の二酸化炭素濃度を表しています_{。二酸化炭素は特定の波長の光を吸収するため、科学者はこの情報を用いて地球の大気中に存在する二酸化炭素量を推定することができます。OCO-}₃は、垂直な気柱を通過する太陽光の強度変化を観測し、その地点における二酸化炭素濃度を算出しました。

その後、OCO-3チームはこの衛星データを、ロサンゼルスの北端にある砂漠地帯にあるNASAアームストロング飛行研究センターに設置された地上設置型TCCON機器で既に収集されている「クリーンエア」の測定値と比較しました。このセンターは、地元の排出源から離れた場所に位置しています。基準値を約410ppm（乾燥空気100万分子あたりCO2分子410個）とした場合_、 OCO-3は0.5ppmまでの違いを識別することができました。ロサンゼルス盆地では、CO2のピーク時の過剰濃度が5ppmを超えていることが観測されました_。これは少ないように思えるかもしれませんが、地球規模で数年ごとに排出量が増加している量に相当します。

この実験の目的の一つは、宇宙からの測定値が地上での測定結果と一致することを確認することであり、実際に一致しました。OCO-3のデータは、カリフォルニア州パサデナにあるTCCON局の最近の結果と一致しており、地上からの追跡が不可能な場所でもこの機器が将来的に使用できる可能性を示しています。

しかし、宇宙からのモニタリングには特有の複雑さがある。大気柱を通して地表に放出される二酸化炭素を測定するのは、その空気がどこから来ているのか必ずしも明確ではないため、難しい。「大気柱の上部には、地球の反対側から来た可能性のある二酸化炭素が含まれているでしょう_」_と、北アリゾナ大学の気候科学者ケビン・ガーニー氏は言う。ガーニー氏は今回の研究には関わっていないが、論文ではガーニー氏の過去の研究が引用されている。「大気圏の上層に行くほど、その空気は実際には遠くから来ていることになります。」

もう一つの欠点は、大気中の過剰な二酸化炭素の発生源、つまり人間の活動、植物、海洋、あるいはその他の天然の炭素排出源から発生したものなのかを、現時点では確実に特定できないことです。「植物由来のCO2と化石燃料由来のCO2_は_{見た目は同じです」とガーニー氏は言います。（彼は、地域の燃料消費量と都市インフラの統計を用いて、人為的な}_CO2排出量を推定する独自の革新的な手法「Vulcan」を開発しました。）

_{エルダーリング氏によると、科学者たちは最終的には異なるCO2}源を識別できる技術を開発しているという。彼女はすでに、宇宙に打ち上げられる次の観測装置であるOCO-4を構想している。「地球の周囲数百キロメートルをほぼ途切れることなく観測できる観測装置を持つことが夢です」と彼女は語る。

宇宙からのモニタリングには現状限界があるものの、ガーニー氏は、OCO-3の新しいマップは問題を身近なものにするため、特に強力だと指摘する。「これはもはや北極のホッキョクグマだけの問題ではありません」と彼は言う。「自分の街の排出量を見ることができることで、気候変動の問題が現実味を帯びてきます。」

彼は、排出量の追跡技術が将来、科学者が気象学者が地域の天気を予報するのと同じように、地域の汚染予測の「情報システム」を構築できるほど進歩するだろうと予想している。「夕方のニュースで報道されるべきです」とガーニーは言う。「今日の_{二酸化炭素濃度}はこうで、明日はこうなると予想されます。」

ラフナー氏は、地域データの改善によって政治的行動が促進され、排出量を削減する機会が特定されたり、政府指導者が気候政策の有効性を評価するのに役立つ可能性もあると語る。

しかし、ガーニー氏によると、この段階に到達するには、科学者たちは宇宙ベースのモニタリングの強みを他の取り組みと組み合わせる必要があるという。エルダーリング氏もこれに同意し、目標は他の二酸化炭素モニタリング手法に取って代わることではなく、それらをどのように組み合わせて活用し、世界中の気候変動政策に役立てるかを解明することだと述べた。「私たちは、この壮大な科学の連鎖における一つの環なのです」と彼女は言う。

2021年6月29日午後12時30分（東部夏時間）更新。OCO-2は、以前の発表とは異なり、毎日ではなく、約8日ごとにロサンゼルス上空を通過します。

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