NASAの新しいPACE観測所が人類の未来への手がかりを探る

はるか上空に、そして海中に点在する、世界で最も小さく、しかし最も影響力のある二つの物質、エアロゾルと植物プランクトン。これらは頑固にその秘密を守り続けています。NASAは本日、これらの謎を解明するため、「プランクトン、エアロゾル、雲、海洋生態系ミッション」（PACE）を開始しました。このミッションの成果は、温暖化によって地球がいかに劇的に変化しているかを理解する鍵となる可能性があります。

エアロゾルとは、大気中を漂う塵、山火事の煙、化石燃料の汚染物質などの微粒子で、太陽エネルギーを吸収・反射し、雲の形成を促します。これは気候モデルが未だに説明困難な、極めて複雑なダイナミクスです。一方、植物プランクトンは、食物網の基盤を形成する、微小な植物様海洋生物です。また、炭素を固定し、地球の気候がこれ以上温暖化するのを防いでいます。「植物プランクトンは基本的に炭素を移動させており、それが時間とともにどのように変化するかを理解する必要があります」と、NASAゴダード宇宙飛行センターのジェレミー・ワーデル氏は述べています。

PACEは、科学者たちに空と海に生息するこれらの極めて重要な生物の、これまでにない画像を提供し、地球の進化を予測するのに役立つ衛星観測所です。「大気と海洋の温暖化にはコストがかかります。生物学的な観点から言えば、そのコストとは食物連鎖の基盤が明確に変化するということです」と、PACEのプロジェクト科学者であるワーデル氏は言います。

植物プランクトンは極めて小さいにもかかわらず、大量に発生するため、海全体に大きな緑色の縞模様を描きます。衛星による観測は確かに容易でしたが、これまで観測されたのはほぼ均一な緑色の縞模様でした。しかし、PACEは極めて高感度の機器を搭載しており、紫外線から近赤外線まで、電磁スペクトル全域を高解像度で観測できます（私たちが観測できる可視光線は、この2つの波長の中間です）。そのため、PACEは様々な緑色を観測できるのです。

森をじっと見つめているときに見えるものを想像してみてください。「様々な木の葉はすべて緑色ですが、その緑色は微妙に異なります。つまり、それぞれ異なる植物なのです」とワーデル氏は言います。「私たちが本当に探しているのは、こうした非常に微妙な色の変化なのです。」

これにより、科学者は植物プランクトンがどこで、なぜ大量発生しているのかだけでなく、それがどのような群集を形成するのかを解明できるようになります。植物プランクトンは数千種類にも及びます。動物プランクトンと呼ばれる小さな生物の餌となるものもあれば、毒性の強いもの、他の種類よりも炭素を効率的に吸収するものなど、実に多種多様です。現代の衛星が宇宙から観測できるのは、8色入りのクレヨンで絵を描くようなものですが、PACEの目には、その種は異なる姿で映ります。「PACEで観測できるのは、128色入りのクレヨンです」とワーデル氏は言います。

海洋が急速に変化しているため、これらの植物プランクトン群集をより深く理解することは極めて重要です。海洋は人類が大気中に放出した過剰な熱の約90%を吸収しており、特にここ1年ほどは海面水温が記録的な高水温に達し、その水準を維持しています。高水温自体は一部の植物プランクトン種の生育に悪影響を及ぼす可能性がありますが、水銀の上昇に伴って繁栄する他の植物プランクトン種にとってはむしろ利益となる可能性があります。

もっと微妙なところでは、暖かい水が海面に蓋のような役割を果たし、その下では冷たい水が渦巻いている。「お気に入りのアイリッシュパブでハーフ＆ハーフを飲んでいるようなものです。ギネスがハープの上に浮かんでいるようなものです」とワーデル氏は言う。「それが海面上の広大な領域に障壁を作り出し、暖かい水の層の下にある冷たい水の栄養分が浸透できないのです。」

植物プランクトンは成長するためにこれらの栄養素を必要とするため、特定の地域で温暖な海水が一定量以上続くと、光合成を行う生物群集にさらなる変化が起こります。動物プランクトンの餌となる生物種が減少すれば、動物プランクトンの数も減少する可能性があります。そして、食物連鎖の上位に位置する、動物プランクトンを食べる魚類などの大型捕食者にも影響が及ぶでしょう。これは最終的に、人間がタンパク質源として頼っている食物種にも影響を及ぼす可能性があります。

一部の植物プランクトン種は、アシカなどの海洋哺乳類を死滅させる毒素を産生し、人間が食べる貝類などの魚介類に蓄積します。PACEを用いることで、科学者は特定の藻類種が特定の植物プランクトンブルームにおいて増殖しているかどうか、そしてどのような条件がそれを引き起こしたのかをより正確に把握することができます。「有害な藻類ブルームは常に発生していましたが、海洋条件の変化に伴い、その変化の仕方も変化しています」と、マサチューセッツ州のウッズホール海洋研究所で衛星画像を用いて植物プランクトンを研究している海洋学者のトム・ベル氏は述べています。「有害藻類種の濃度が、私たちが通常よりも高い時期や、通常とは異なる頻度や期間で発生する可能性があります。」

PACEチームは、このデータを自動的に解析するアルゴリズムを開発しました。「これは基本的に、海の色の信号を、いわば有害藻類の濃度に変換するものです」と、PACEの主任研究員であり、アルゴリズムの開発にも携わったカリフォルニア州スクリプス海洋研究所のダリウス・ストラムスキー氏は述べています。「つまり、ある藻類が成長し始めれば、それが有害藻類の異常発生の始まりとなるのです。データはほぼリアルタイムなので、すぐにそれが起こる可能性があります。」

植物プランクトンは光合成を行い成長する過程で、炭素を吸収します。死んで沈むか、動物プランクトンに食べられて糞便となって海底に沈むと、その一部は海底に沈み、数千年もの間、深海に閉じ込められる可能性があります。これは膨大な量の炭素です。先月、科学者たちは、底引き網漁船が海底を広範囲にかき混ぜ、そのようにして蓄積された大量の二酸化炭素を放出している_と計算しました。これは、世界の漁船団全体、つまり400万隻の漁船の化石燃料排出量の2倍に相当します。

PACEを用いることで、科学者は急速に変化する海洋環境において、どの植物プランクトン種が勝ち負けを分けているのか、そしてそれが炭素循環にどのような影響を与えるのかをより深く理解できるようになります。科学者たちは、どの種が太陽光が当たる表層海域で炭素を循環させ、そこに閉じ込めているのか、そしてどのプランクトン群が炭素を深海へと運ぶのを助けているのかを把握する必要があります。

同時に、PACEは多角度偏光計と呼ばれる2つの機器を用いて、大気のスナップショットを様々な角度から撮影します。従来の技術はエアロゾルを2次元で観察するようなものですが、これはより3次元的です。「これらの機器は実質的に偏光サングラスをかけているようなもので、全く異なる世界の眺めを提供します」とワーデル氏は言います。「大気を様々な角度から観察することで、エアロゾルのプルームや雲の厚さ、あるいはそれらの柱状構造における垂直方向の位置など、より多くの情報が得られます。つまり、偏光情報とこれら全てを多角度から観察することで、真に飛躍的な進歩を遂げることができるのです。」

エアロゾルは依然として気候の大きな不確定要素です。エアロゾルは物質によっては太陽エネルギーを吸収・反射するため、冷却効果も加熱効果も持ち合わせています。現在研究されている脱炭素化の残念な副作用は、化石燃料の燃焼を減らすことで、気候を冷却するエアロゾルの排出量も減ってしまう可能性があることです。つまり、大気中への炭素排出は絶対に止めなければなりませんが、そうすることで、エアロゾルが排出されなくても、温暖化がさらに進む可能性があります。（ちなみに、エアロゾルは人体にも壊滅的な影響を与えるため、これもまた急速に脱炭素化を進めるべき理由の一つです。）

しかし、エアロゾルが渦巻く大気の並外れた複雑さをモデル化することは依然として困難です。さらに、エアロゾルは水蒸気が集まる核として働き、雲を形成します。雲の種類によって、地球の熱を閉じ込めたり、太陽エネルギーを宇宙に反射させて地球を冷却したりするため、雲はさらに複雑になります。「エアロゾルと雲、汚染、サハラ砂漠の塵、火山噴火、海洋ヘイズなど、この相互作用が、このシステム全体を支えています」とワーデル氏は言います。「雲の明るさ、厚さ、エアロゾルへの反応など、理解を深めることができれば、これらの不確実性を克服するための知見が深まるでしょう。」