サンディエゴのスクリップス海洋研究所の海からすぐの場所で、研究者たちは驚くべき工学的偉業、屋内海洋の最終仕上げに取り組んでいます。この巨大な建物の中に、全長120フィート（約36メートル）に渡って伸びる32,000ガロン（約1万2,000リットル）のコンクリートタンクがあり、その上には巨大なダクトが備え付けられ、太平洋から直接パイプで送られた海水に時速60マイル（約97キロ）の風を吹き付けます。装置の片方の端では、パドルが波を押し上げ、波立つ海面を作り出します。ロケットエンジンのような円錐形の天窓から降り注ぐ自然光子が、海面全体を照らします。
これはスクリプス海洋大気研究シミュレーター（Soars）です。気候変動の影響下で海がどのように変化しているかを科学者がより深く理解するための、カスタマイズ可能なエコシステムです。現在試験運用中で、来年の夏に正式オープン予定です。Soarsがオープンすれば、世界に類を見ない存在となるでしょう。北極海の研究に興味のある研究者なら、シミュレーターを極地モードに切り替えることで海氷を形成できます。極地モードにすると、水温は華氏34度、風速はマイナス2度まで下がります。また、サーモスタットを逆回転させて気候変動をシミュレートすることもできます。海洋酸性化に興味のある研究者なら、密閉されたシミュレーターに二酸化炭素を注入し、実際の海水にどのような影響を与えるかを観察できます。
「巨大な造波水槽の上に風洞が取り付けられたようなものだと想像してみてください」と、ソアーズ計画の共同主任研究者であるスクリップス海洋研究所の海洋学者デール・ストークスは言う。「いわば、いわば自然のアナログコンピューターのようなもので、これらのノブを全部回して何が起こるかを見ることができるのです。」
地球の4分の3が海で覆われていること、そして科学者は深海よりも月の表面について多くのことを知っていることは誰もが知っているでしょう。しかし、より緊急な問題は、研究者たちが海面が大気とどのように相互作用しているか、つまり波がどのように粒子を噴出し、最終的に霧や雲を形成するのか、急上昇する二酸化炭素濃度が外洋に浮かぶ生物にどのような影響を与えているのか、そして海水温の上昇に伴い海氷がどのように変化する可能性があるのか、ということについてあまりにも多くのことを知らないことです。
イラスト: スクリップス海洋研究所
「これは化学、生物学、物理学が複雑に絡み合ったものです」と、スクリップス海洋研究所の海洋学者で、ソアーズ計画の共同主任研究者であるグラント・ディーン氏は語る。「これは、私たちがこの15年ほどで発見したことの一つです。海面の薄い層における複雑な相互作用です。そこで起こることは、雲、氷、天候、気候に影響を与えます。私たちは、その境界とそれが気候にどのような役割を果たしているかを理解する 必要があります。」
Soarsは、海洋学者にこれらの変数に対する前例のない制御を提供します。これまで、科学者は複雑なコンピュータ気候モデルを実行して、例えば二酸化炭素濃度の上昇が表層水の化学組成にどのような変化をもたらすかを推定することができました。これらのモデルは有用ですが、解像度が粗いです。計算能力の限界により、モデルは海を数十から数百キロメートルのスケールのピクセルに分割します。科学者がセンチメートルスケールで作業しようとすれば、結果が出るまで非常に長い時間を要します。Soarsを使えば、海洋学者はタンクの壁を通して機器を蛇行させ、極めて細かいスケールで二酸化炭素濃度を測定できます。
イラスト: スクリップス海洋研究所
科学者にとってもう一つの選択肢は研究船での航海ですが、船の使用料は1日あたり2万ドル以上かかるのに対し、ソアーズでは1日あたり1,500ドルから2,000ドルです。ストークス氏とディーンは、研究の性質によっては、研究者がこのシミュレーターを数日から数ヶ月間必要とする可能性があると見積もっています。このシミュレーターは、スクリプス研究所の研究者だけでなく、他の研究者にも開放されます。
比較的短く単純な実験としては、風速や波の大きさが水面から飛散するエアロゾルの数にどのような影響を与えるかを測定することが挙げられます。あるいは、海の「アルベド」、つまり太陽エネルギーをどれだけ反射するかがどのように変化するかを知りたい人もいるかもしれません。模擬海面が荒れると、白い波頭が太陽光の多くを反射し、一方、穏やかで暗い海面はより多くの太陽光を吸収して温度が上昇します。
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より長く複雑な実験としては、微生物やプランクトン（流れに翻弄される小さな植物や動物）を培養し、水温や気温を変化させてそれらの反応を観察するといったものになるだろう。あるいは、大気中の二酸化炭素濃度をいじる研究者もいるかもしれない。現在、地球上の二酸化炭素濃度は約420ppmだ。「まず最初に行うことの一つは、二酸化炭素濃度を600ppmまで上げ、それが生物にどのような影響を与えるかを調べることです」とディーン氏は言う。
これらの実験に共通するものは何でしょうか？それは制御です。海洋学者は現実の海を、あるがままの状態で、その瞬間にしか研究できません。Soarsを使えば、実質的に、気温と二酸化炭素濃度がより高い世界へと早送りすることができます。「これらのノブを回すことで、将来のシステムがどのようなものになるかを非常に正確に予測することができます」とストークスは言います。
コロラド州立大学の大気エアロゾル科学者、ポール・デモット氏は、来夏、ソアーズで実験を計画している。チームは、気温と風速を変化させ、エアロゾルがどのように生成されるかを観察する予定だ。デモット氏は、複数の視点からそのプロセスを間近で観察することができる。タンク上部の通路からは上空から見下ろすことができ、制御室にある大きな水槽のような窓からは、実験の様子を断面で見ることができる。
イラスト: スクリップス海洋研究所
デモット氏にとって、ソアーズ号は他の発生源を気にすることなく、海水からエアロゾルを分離できる極めて制御された環境を提供してくれる。科学者は確かに海上でエアロゾルを採取することはできるが、研究対象の海域から発生するエアロゾルだけを採取しているとは断言できない。陸地や海の他の部分からも、あらゆる種類の大気中の不純物が吹き込んでくるからだ。「つまり、船上で測定を行う際には、ある種の統合的な効果が得られ、必ずしも海から発生する初期の排出物だけを捕捉しているわけではないのです」とデモット氏は言う。
海洋エアロゾルを理解することは極めて重要です。大気中でエアロゾルの周囲に水が形成されると、それが雲の種となるからです。つまり、海洋は陸上の降水と密接に関連しているということです。さらに、雲はアルベド効果も生み出します。雲が大きく明るいほど、太陽エネルギーを宇宙に反射し、気候を冷却します。風のパターンの変化や海水温の上昇は、雲の形成方法を変えるのでしょうか？デモット氏はSoarsを使って、これらの変数を操作し、何が起こるかを調べることができます。
イラスト: スクリップス海洋研究所
スクリプス海洋研究所の大気化学者であり、Soarsの共同主任研究者でもあるキンバリー・プラザー氏は、この秋からシミュレーターの試運転に参加しており、稼働開始後は本格的な実験を行う予定です。プラザー氏の仕事は、水槽内で微生物や植物プランクトンといった海洋食物網の基盤となる生物を培養することです。動物プランクトンと呼ばれる小動物がこれらの植物プランクトンを食べ、さらに大きな魚が動物プランクトンを食べ、というように食物連鎖の上位へと進んでいきます。
しかし、これらの微生物は極めて小さいにもかかわらず、地球の気候に影響を与える可能性があります。微生物がこの水中で増殖すると、非常に強いガスを放出します。ジメチルスルフィド、メタンチオール、窒素化合物などを含む複雑な雲です。「微生物はストレスを感じるとガスを放出し、幸せな時にもガスを放出します。つまり、互いにコミュニケーションをとる時にもガスを放出するのです」とプラザー氏は言います。「微生物は常にガスを放出しており、海でそのような現象が観測されたことはこれまでありませんでした。このシミュレーターでそれを解明したいのです。」
ソアーズ計画によって、プラザー氏は、微生物の増殖、ひいては微生物からのガス放出が大気に及ぼす影響に影響を与える可能性のある温度、濁度、風、大気ガス濃度を、これまでにないほど精密に制御できるようになりました。「海洋が大気の組成をどのように制御し、それが最終的に大気の質と健康、そして地球の健康にどのような影響を与えているのかを、体系的に解明した人は、まだ誰もいません」とプラザー氏は言います。「大気科学者として、これほど大きな隔たりがあることは衝撃的です。」
ソアーズ実験で得られた空気と水の境界に関するデータは、この新たな微細スケールのデータを、より粗い地球規模の気候モデルに組み込むことで、その精度向上に活用できます。「これらすべてを動的に進化するシステムとして理解するために、この施設は非常に刺激的で強力なものになると思います」と、来夏にソアーズで実験を計画しているカリフォルニア大学デービス校の大気化学者クリストファー・カッパ氏は述べています。「このような施設で得られるのは、プロセスを真に絞り込み、解明する能力です。」
リスクは天文学的な数字だ。人類が引き起こした地球温暖化の90%以上は海に吸収されている。今のところ、海は私たちを自らの力から救ってくれている。しかし、科学者たちは、海自体がどうなっているのか、そして海の変化が気候全体にどのような影響を与えるのかを、切実に理解する必要がある。「私たちが目を覚まさず、自らの行動がもたらす結果を理解しなければ、私たちは非常に窮地に陥るでしょう」とディーンは言う。「私たちはすでに未来のためにある程度の苦しみを買っている。どれだけの苦しみをこれから買ってしまうかは、今私たちが何をするかにかかっているのです。」
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