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☆主なコンテンツ
1、新着論文 2、論文概説 3、コラム 4、本のレビュー 5、雑記(PC・研究関連)
6、気になった一文集(日本語English) 7、日記(日本語English

2014年8月11日月曜日

新着論文(Coral Reefs, GRL)

Coral Reefs
Multiple driving factors explain spatial and temporal variability in coral calcification rates on the Bermuda platform
A. Venti, A. Andersson, C. Langdon
サンゴの石灰化速度を規定する要因についてはよく分かっていない。バミューダで得られたハマサンゴ(Porites astreoides)とノウサンゴ(Diploria strigosa)の石灰化速度について評価を行ったところ、炭酸塩飽和度に非常に敏感であることが分かったが、現実には光もまた同じ位相で変動しているため、光が支配的な要因ではないかと推測される。見た目上の相関によって、「サンゴの石灰化は飽和度の低下に対してかなり敏感である」という間違った結論に導かれている可能性がある。また、季節変動に関しては温度もまた半分程度の要因になっていることが示唆された。

Historic impact of watershed change and sedimentation to reefs along west-central Guam
Nancy G. Prouty, Curt D. Storlazzi, Amanda L. McCutcheon, John W. Jenson
グアム西部から得られたハマサンゴの骨格成長速度・石灰化速度・ルミネッセンス・Ba/Ca分析から、過去100年間の土壌流入量とサンゴの成長を議論。戦後の活発な土地開発の結果、サンゴ礁への土壌流入が急激に増加した。

GRL
Reconstruction of Pacific Ocean bottom water salinity during the Last Glacial Maximum
Tania Lado Insua, Arthur J. Spivack, Dennis Graham, Steven D'Hondt, Kathryn Moran
太平洋で得られた海洋底堆積物コア中の間隙水Clイオン濃度測定から、最終氷期の深層水の塩分を推定。現在よりも4%濃度が増しており、海水準の低下による全球的な塩分上昇よりも高い値が太平洋の南北で普遍的に得られた。

Enhanced acidification of global coral reefs driven by regional biogeochemical feedbacks
Tyler Cyronak, Kai G. Schulz, Isaac R. Santos, Bradley D. Eyre
沿岸域では海洋酸性化にともなうpCO2の上昇とpHの低下は、短期間の変動(日周期・季節変動など)や様々な生物地球化学的な作用によって影響される。世界各地のサンゴ礁における平均的なpCO2の上昇速度は、外洋域のそれに比べて3.5倍早いことが分かった。人間活動に伴う栄養塩・有機物の流入量の増加が原因と考えられる。

2014年8月10日日曜日

サンゴ礁における海洋酸性化を考える上で重要な概念・知見(Kleypas & Langdon, 2006)

Coral reefs and changing seawater chemistry
Kleypas, J. A., and Langdon, C. (2006) 
In Coral Reefs and Climate Change: Science and Management, pp. 73–110.
Ed. by J. T. Phinney, O. Hoegh-Guldberg, J. Kleypas, W. Skirving, and A. Strong, AGU Monograph Series Coastal Estuarine Studies 61
のレビューより。

特にサンゴ礁における海洋酸性化を考える上で重要な概念のまとめ(メモ)。

少し古いのでアップデートが必要な事項もあるのは確かだが、基本概念はそれほど変わっていないと思う。
この論文がレビューをしたきっかけになったのは、「飼育実験などから酸性化が石灰化に影響することが示されているが、それを支持するような産業革命以降の石灰化速度低下が野外観測から確認されていない」という事実。
ただし、このレビューが引用する「グレートバリアリーフのハマサンゴの骨格成長速度は温度に対する依存性が大きく、温暖化に伴いわずかに上昇しているか、ほぼ一定に保たれている」と報告する研究(Lough & Barnes, 1997; Lough & Barnes, 2000など)は、同じ研究グループによってのちに「骨格成長速度は急速に低下している」と修正されていることに注意(Cooper et al., 2007; De'ath et al., 2009など)。

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海水への二酸化炭素の溶解過程
▶︎大気から海水に二酸化炭素が溶解してもイオンの電荷バランスは維持されるため、アルカリ度は変化しない。

▶︎アルカリ度は緩衝作用があるため、アルカリ度が高い海水ほど二酸化炭素が溶けた際のpHの変化が小さい。その逆も成り立つため、アルカリ度の小さい淡水はpHがダイナミックに変化する。

▶︎表層海水は大気とほとんど平衡状態を保っている(二酸化炭素に関する平衡時間は約1年)。そのため、深層水形成域・高い一次生産の海域など、より深層に溶存炭素・有機物が輸送されるところで効率良く二酸化炭素が海へと取り込まれる
そうした炭素はやがて海洋底の堆積物中の炭酸塩を溶かし、大気中の二酸化炭素濃度を産業革命以前の値に安定化させる(下げる)働きがあるが、その時間スケールは1,000年スケールであり、これまでに放出された二酸化炭素が自然の作用のみで元の状態に戻るのには数千年〜数万年の時間を要する。

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生物源炭酸塩の生成・溶解過程

▶︎石灰化を行う生物の骨格は様々な結晶系の炭酸塩骨格からなる
・高Mg方解石(high-Mg calcite)
・アラレ石(aragonite)
・方解石(calcite)
の順に、溶解しやすい

▶︎石灰藻はサンゴ礁のかなりの部分を被覆しており、沈積する炭酸塩骨格も莫大である。低緯度に関わらず、高緯度にも棲息するため、サンゴ礁以外の炭酸塩の沈殿にも大きな役割を負っていると考えられている。
緑藻類はアラレ石、紅藻類は高Mg方解石の骨格を作る。
熱帯域に見られる大型底性有孔虫の殻(星砂のもと)は主に高Mg方解石でできている。

▶︎生物の石灰化は二酸化炭素を放出すると考えられている。

▶︎石灰化が起きると考えられている場所は、細胞内(intersellular)・間(intracellular)・外(extracellular)であり、石灰化生物ごとに異なる。
石灰藻は細胞内(細胞壁の内か外)、サンゴは細胞外だと考えられている。

▶︎生理過程の結果として炭酸塩が沈殿するのか(biologically-induced)、能動的に骨格を形成するのか(biologically-regulated)も石灰化生物ごとに異なる。
一般に前者ほど海洋酸性化には脆弱だと思われるが、確証は得られていない。

▶︎一般に各炭酸塩結晶の飽和度(Ω)が1を下回ると溶解が始まると熱力学的には考えられるが、実際にはもっと複雑な過程であり、以下の要因が影響すると考えられている。
骨格の厚さ・構造(texture)・形態(morphology);有機物によって保護されているかどうか;結晶構造;微量元素の含有量;表面に付着した粒子の有無

▶︎海洋酸性化の進行とともに、浅海の堆積物中の炭酸塩(サンゴ礁では高Mg方解石が支配的)が溶解し、アルカリ度が増加することで酸性化を遅らせることが期待されるが、それが海洋酸性化を遅らせることはあっても打ち消すことはない。現実にはサンゴ礁で活発な石灰化が行われた結果としての低いアルカリ度、外洋との活発な海水混合とが観測されている。従って、陸棚の堆積物による緩衝能力はそれほど大きくない

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サンゴ石灰化への影響

▶︎大気中・海水中二酸化炭素濃度の増加が褐虫藻の光合成を促進するかどうかはまだ決着がついていない。さらにそれが骨格成長速度を促進するのかどうかについてもまだよく分かっていない。
また海洋酸性化は炭酸イオン(CO32-)濃度減少をもたらすが、一方で重炭酸イオン(HCO3-)濃度を増加させる。石灰化への「プラス効果(施肥)」 v.s. 「マイナス効果(溶解)」のバランスについてもよく分かっていない。

▶︎海水炭酸系以外にも温度と日射量がサンゴの石灰化に大きな影響を与えている。世界各地の野外で得られたハマサンゴの骨格成長速度は”増加”の傾向を示しており、酸性化による成長阻害というよりは、近年の温度上昇が原因と考えられている。
※ただし、冒頭で補足しているように、最新の研究結果によるとグレートバリアリーフのハマサンゴは成長速度の”低下”を示している。

▶︎今後、石灰化は増加?減少?
「温度上昇による正の効果が酸性化による負の効果を上回る」と予測する研究者もいる。だが、温度上昇もまた最適温度(optimum temperature)を超えるとサンゴのストレス要因になるため(高温ストレスによる白化現象など)、石灰化は負に転じると予想される。

▶︎生物の石灰化の起源は遥か昔、カンブリア紀まで遡る。海水のCaイオン濃度の急上昇と一致していることから、当初はCaの毒性を和らげるための解毒機構だったのではないかと推測されている。

▶︎石灰化に伴う骨格成長のメリット
・より水流が複雑な状態に自らを置くことで、栄養塩・酸素へのアクセスが良くなる
・より水面へ近づくことで、より強い光を獲得する
・他の成長速度の遅い生物を覆うことで、光を獲得するとともに占有面積を拡大する

▶︎サンゴ礁において石灰化が行われることのメリット
・海水準の上昇についていく
・3次元的に(深度方向も含む)複雑な構造によって生物多様性が維持される
・複雑な構造が複雑な水力学を生み出す

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今後の研究に必要なこと
▶︎現場におけるより多くの観測(海水炭酸系・骨格成長量・石灰化速度・温度・塩分・光量・風速・流速など)
とくに、骨格成長量(extention rate)石灰化速度(calcification rate)とは必ずしも一致しないことに注意する必要がある。なぜならば、前者は長さであり、後者は質量だからである。

▶︎石灰化をうまくコントロールできず、高Mg方解石でできた殻を持つような生物(石灰藻・底性有孔虫・棘皮動物など)に対する海洋酸性化の影響評価が不足している。

▶︎研究間でより統合された手法と戦略

2014年8月4日月曜日

気になった一文集(English ver. No. 23)

Most numerical models suggest that historical ocean physical and biogeochemical trends observed over the last several decades will continue at least through the middle of this century, and the trends may even accelerate in response to growing human population levels and, more importantly, rising economic standards of living, particularly in the developing world.
ほとんどの数値モデルが、過去数十年間にわたって観測されてきた海の物理的・生物地球化学的な変化傾向は、少なくとも今世紀中頃を通じて続くだろうと予測している。さらに、特に発展途上国において増加し続ける人口と(より重要な)生活基盤の改善に呼応して、その変化傾向が加速する可能性すらある。

For the last decade for which data are available (2002–2011), fossil fuel emissions averaged 8.3 ± 0.4 billion metric tons of carbon per year (uncertainty is ± 1 standard deviation in estimate of decadal mean). Over the same time period, fossil fuel emissions grew with time at a rate of 3.1% per year since the year 2000. Deforestation and land-use change accounted for an additional source of 1.0 ± 0.5 billion metric tons of carbon per year.
データが利用可能な過去10年間(2002–2011年)において、化石燃料由来の排出量は年平均で83 ± 4億トン(炭素換算)であった。同期間には、2000年以来年率3.1%の割合で排出量が増加した。森林破壊と土地利用の変化が、年間10 ± 5億トン(炭素換算)のさらなる排出量を担った。

Once released to the air, these greenhouse gases persist in the atmosphere for years to decades or longer, and the climatic impact of past and current human greenhouse gas emissions are global in extent and will be with us for a long time to come.
ひとたび大気中に放出されると、これらの温室効果ガス(※CO2・CH4・N2O・CFCs)は数年、数十年、もしくはそれ以上にわたって大気に残留する。人類による温室効果ガス排出の過去・現在の気候への影響は全球的であり、長期間にわたって我々につきまとう。

The phenomenon of global warming should, more appropriately, be called ocean warming, as more than 80% of the added heat resides in the ocean. Direct measurements of ocean temperatures show warming beginning in about 1970 down to at least 700 m, with stronger warming near the surface leading to increased thermal stratification (or layering) of the water column over much of the global ocean. Deep ocean temperatures are also on the rise.
加えられた熱の80%は海に蓄えられるため、より適切には、地球温暖化現象は海洋の温暖化と呼ぶべきである。海洋の温度の直接計測によると、温暖化は1970年代から、少なくとも700m深までの海洋表層で始まっており、表層ほど大きく温暖化するので、世界の海洋のかなりの部分で海の成層化を招いている。深海の温度もまた上昇しつつある。

Historical and Future Trends in Ocean Climate and Biogeochemistry
Doney, S.C., Bopp, L., and Long, M.C. Oceanography 27, 108–119 (2014).

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It is too early to draw firm conclusions on the net effect, but it is rather clear that ocean acidification will affect marine organisms and will cause change.
総合的な影響に対して確固たる結論を導くことは早計だが、海洋酸性化が海の生物に影響し、変化をもたらすことは明らかであろう。

While ocean acidification has been recognized as a topic of high research priority leading to a crescendo of studies, deoxygenation has not reached that level of recognition.
海洋酸性化は優先度の高い研究テーマとして徐々に認識され、研究の盛り上がりを見せているが、一方の貧酸素化はそうした認識のレベルには達していない。

But what is really missing is the joint perspective, where the full and synergistic effect of all three stressors acting at the same time is investigated.
しかし、本当に見落としているのは繋がっているという観点であり、同時発生する3つすべてのストレス源(温暖化・酸性化・貧酸素化)の全体効果・相乗効果が評価される必要がある。

Warming up, turning sour, losing breath: ocean biogeochemistry under global change
Nicolas Gruber, Phil. Trans. R. Soc. A 369, 1980–1996 (2011).

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Unless both groups take concerted action, stabilizing the climate will be impossible.

As economies mature, they become more efficient. But this improvement in energy intensity has not been fast enough to offset the overall effect of growing economies.

Current international policy approaches, which ignore trade, create strong incentives for countries to sit outside climate agreements and to take a free ride on benefits, not only in terms of climate change mitigation but also because of industry relocation.

Getting serious about categorizing countriesScience 345, 34–36 (4 July 2014).

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…potential benefits need to be weighed against the time and effort expended and the real risks of feeling under attack. Additional recognition of the value and importance of such activities among academic employers would also help.

T e challenge is to embrace the complexity of the situation, to acknowledge the uncertainty and the nuance, to welcome questions and investigation and show the process of climate science in good health. Online engagement would seem to be essential in this endeavour. 

Pause for thoughtNature Climate Change 4, 154–156 (March 2014)

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After our fossil fuel blow-out, how long will the CO2 hangover last? And what about the global fever that comes along with it?
我々の化石燃料が燃やされ尽くされたあと、どれほど長くCO2の二日酔いは続くのだろう?また、それに伴う地球全体の熱っぽさについてはどうだろう?

Carbon is forever」Mason Inman, Nature Reports Climate Change (20 November 2008)

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According to Status of Coral Reefs of the World: 2008, a synthesis report by hundreds of scientists and environmental managers, 19% of the world’s coral reefs have been lost since 1950 and another 35% are threatened or in critical condition.
数百名の科学者と環境管理者によって書かれた総合的な報告書、”世界のサンゴ礁の状態:2008年版”によると、世界のサンゴ礁の19%は1950年以降失われ、さらに35%は脅かされているまたは危機的状況にある。

Their analyses suggest that corals can ‘toughen up’ over the course of their lifetimes in response to environmental conditions.
彼らの解析によると、サンゴは環境の状態に応答することで、生活史を通じて”屈強になる”ことが可能であることが示唆されている。

A final, important piece of the puzzle is the corals’ symbiotic algae: these are shorter-lived and faster-evolving than their hosts, and research has shown that they can pass along thermal tolerance.
最後の、重要なパズルのピースはサンゴに共生する藻類である:彼らはホストであるサンゴよりも短命であり、速く進化することができ、熱耐性を引き継ぐことができることが研究によって示されている。

Designer reefs」Amanda Mascarelli, Nature News Feature (23 April 2014)

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In the meantime, the world’s output of carbon dioxide and other heat-trapping gases has continued to rise. The level of CO2 in the atmosphere reached 396 parts per million in 2013, 42% higher than pre-industrial levels. Last year’s was the largest annual increase since 1984, according to figures reported on 9 September by the World Meteorological Organization in Geneva, Switzerland.

The challenge is formidable, says Nicholas Stern, a climate-change economist at the London School of Economics. By 2030, Stern says, the world must reduce its greenhouse-gas emissions by roughly 20% from the current level to have a chance of limiting warming to 2 °C above pre-industrial temperatures, the UNFCCC’s stated goal. Current emissions pledges put the world on track for a 3 °C warming by 2100, according to a 7 September report by PriceWaterhouseCoopers.

Climate summit previewspush for new global treaty