蛇島伸吾　メール　　　　　（前頁）＜＜　　　　　　＞＞（次頁）　　　　　　　　　　(Up)

１章　はじめに 　　〜　「海洋物質循環モデル（海洋での二酸化炭素吸収計算） 」作成 　(CommonMPを用いた)　〜

　地球温暖化の影響が色々な気象現象、災害、食物生産等に現れ始め、2016年に発行された「パリ協定」で、各国では温暖効果ガスの排出の削減に取り組んでいます。
　この中で、気温上昇率を1.5 ℃に抑えるためには、CO2排出をゼロとする（カーボンニュートラル、ゼロエミッション）のみでは不完全で、CO2の吸収（マイナスエミッション） も必要とされています。

　ところで、CO2の大きな吸収の役割を果たしているものとして、「海洋」 があります。　海洋でのCO2吸収は、海水自身のCO2溶解能力「溶解ポンプ」と、海洋生物（植物プランクトン等）の働きによる能力「生物ポンプ」、北極／南極からの海水の潜り込みによる「海洋ベルトコンベア」があります。
　植物プランクトン等の海洋植物が吸収するCO2量（ブルーカーボン）は、陸域での森林等が吸収するCO2（グリーンカーボン）の量と比べても大きな割合を占めています。
　ところが全地球規模で植物クロロフィルの分布を調べると、水深が３０００ｍを超える深海域では非常に少なく、植物プランクトンの吸収は、陸地沿岸に集中しております。 < 全球クロロフィルa分布 >
　陸地から遠く離れた深海域でクロロフィル分布が非常に小さい（植物プランクトンが育たない）理由としては、陸地から離れると、植物プランクトンが成長するに必要な栄養素が少ないこと（貧栄養）に起因しています。海洋部（特に熱帯、亜熱帯）では、水分、光は十分に存在し、大気からのＣＯ２供給も十分あります。また、植物の３大肥料要素（窒素，リン，カリウム）のうち、カリウムも十分に存在しています。　しかし、遠海洋部では、窒素、リンは、陸地からの供給がないため不足しています。さらに、ケイ素（珪藻類等の生育に必要），鉄（クロロフィル活動に必要）等も陸地からの供給が不足し、生態系の土台を支える植物プランクトンが十分生育できないため、豊かな生態系を作り出すことができません。したがって、陸地から遠く離れた海洋は、砂漠の様に 有機物の存在が非常に希薄な地域となっています。

　一方で、日本の排他的経済水域（EEZ)を考えると、面積を用いて計算すると世界６位の広さをもっています。しかし体積計算では、世界４位の海洋水を持っていることになります。（特に5,000m以深の海水の保有体積は世界1位になる　＜ 笹川平和財団 ＞）　このことは、日本のEEZには広い深海域が広がっていることを示しています。（日本のEEZは、全体の6割以上が3,000m以深の深海であるという 特徴を持っている）

　このため、遠洋深海域に肥料を撒き して、植物プランクトンを生育させることができるならば、遠海洋部でのブルーカーボンを増加させて日本のCO2削減目標に寄与するとともに、植物プランクトンを土台とする生態系が豊かとなり、近海と同様の豊かな資源になると考えられます。
　現に、海洋に鉄や肥料を撒いて その影響を調べる等の調査もされています。＜ 海洋に鉄を撒く　、二酸化炭素問題対策技術としての海洋施肥法の評価 、 海洋施肥と海の森づくり 　その他　キーワードを　”海洋施肥 ”、”二酸化炭素吸収”、”生態系モデル”　として検索すると多数ヒット＞

　図１．１．１に、遠洋深海領域の開発構想を示します。

　
　図１．１．２は、遠洋海域に海洋施肥を実施して、そこで発生する生態系モデルと、CO2吸収量と海洋資源捕獲を起点とした人間活動を経済モデルの両者を融合させた例を示します。
　このモデルで検証したいのは、
　　�@海洋施肥によって、遠洋海域に生態系を発生させることが可能なのか？
　　�A仮に生態系が発生したとして、この生態系には、CO２排出権を主張するに耐えうる量のCO2吸収が発生するのか？
　　�B資源を捕獲するに足りるような規模で生態系は生成されるのか？
　　�C仮に生態系が十分な規模で生成されるとして、その生態系を維持するにはどの程度の人為的行為が必要か？
　　�D遠洋海域の生態系維持は、経済的観点から可能か？
　等の事柄です。
　本ホームページの目的は、上記に検証に使用できる数値モデルの『開発環境と方法』を提供することです。


　ところで、海洋開発の様に大きなプロジェクトを行う場合には、事前の調査を十分に行い、「目的に応じた結果が得られるか」、「検討不足は無いか」、「想定外の項目はないか」等を評価しておく必要があります。このような事象を解析、評価する際には、シミュレーションを行う事が多くあります。　机上でシミュレーションする場合もありますが、コンピューターを使用した数値モデル を作成してシミュレーションを行うと、繰り返し計算したり、パラメータを変更したりすることが簡単に行えます。　
　またシミュレーション構築や運用に対して、様々な分野の専門家（例えば、海流、海洋植物、海洋動物、漁業、経済等の専門家）が、それぞれ作成した数値モデルを結合して総合的な現象を見る事が行えて、それを一般の素人が活用できるならば、社会での認識等を大きく変更し、プロジェクトを進める大きな原動力を生じさせることが可能となります。

　さて、シミュレーションを行うためには、対象をモデル化しなければなりません。
　モデル化の方法が、計算速度やモデルの精度を決定するため、開発者が工夫する点であり、色々なモデルが作成されます。
　これらの各モデルは開発者の考えた仕様によって独立して制作されるため、異なる開発者が作成したモデルを複数接続して、複合的に動作させる事は非常に困難です。また、モデルの使用方法やパラメータ入力方法もそれぞれ異なっており、第三者が手軽にそれらを使用するのは困難を伴う事が多くあります。

　一方で、モデルの有効性を客観的に評価したり検証するためには、パラメータの設定や再現性を、客観的に第３者に対して「見える形」で示す事が重要です。

　この様な状況に対して、自作のモデルを動作させて、異なる開発者のモデルをお互いに接続して使用したり、第三者がパラメータを自ら変更して容易に使用できる事を目的とした「シミュレーション用プラットフォーム」の一つとして、国土交通省　国土技術政策総合研究所で開発された『CommonMP』というツールが有ります。
　正式な名称は　「Common Modeling Platform for water-material circulation analysis」であり、狭くは　河川とその流域の挙動を調べることから始まり、地上・地下の水や物質の循環、生態系・経済分析にも使用できるように、色々なモデルを連動させて動作させることを可能としたシミュレーションプラットフォームです。
　現在は、「洪水予測」等に使用されることが多いですが、適応範囲が水に関連するモデルだけでは無く、もっと色々な分野に応用が可能と思います。　また、「洪水予測」解析に適合したツールが準備されていますが、他のツールが必要になった時には自作してアドオンすることも可能です。
　また、ソースは公開されており、無料で使用する ことができます。

　そこで、CommonMP上に、海洋モデルを構築するに必要と思われる機能を追加し、モデル作成を容易とする型紙を作成して、本ホームページで公開 することとしました。具体的には、CommonMP上で、海洋での生態系に根差した物質循環モデルによるCO2の吸収モデル（生物ポンプ、ブルーカーボン）、及び、それを維持するための、人的活動の経済効果を融合できるように、各クラスの親クラスを準備し、サンプルプログラムを作成しました。 CommonMPOceanSample.zip 　   <---★：未完成品です(2022/07/07現在)。順次完成さる予定です。

　CommonMPを使用した遠海洋での海中生態系モデルの例を下図に示します。

＜モデル例 （ 生態系モデル部分 ）　↓＞

　図　海中の生態系モデル作成の一例

　図中、左上の要素モデル「海洋用肥料工場」で生産された肥料を、船舶を用いて「施肥」します。撒かれた海洋肥料は、要素モデル「栄養成分」に溶け込みます。この栄養成分を利用して、要素モデル「植物プランクトン」が光合成を行います。この過程で要素モデル「海中溶融ガス」からCO2を吸収し、O2を排出します。海中で使用されたCO2量に相当する部分が要素モデル「大気圏」から要素モデル「海中溶融ガス」に吸収されます。この吸収量を要素モデル「人工衛星いぶき」が検出し報告します。
　また、要素モデル「植物プランクトン」を要素モデル「動物プランクトン」が捕食し、さらにそれを要素モデル「ネクトン (＝魚等)」が捕食します。繁殖した魚は、要素モデル「漁船」が捕獲します。　一方、各生物の死骸や、「動物プランクトン」や「ネクトン」の糞等が要素モデル「デトリタス 」となり、これらは大きさや密度に応じて海底へ向かってゆっくりと沈降していきます。　さらに「デトリタス」を要素モデル「バクテリア」や、「動物プランクトン」が捕食し、さらに「ネクトン」がそれを捕食するという関係も成り立ちます。一部の「デトリタス」は、要素モデル「バクテリア」によって分解され、それが海中に溶け込んで要素モデル「栄養成分」に還元されて「植物プランクトン」によって再利用されます。
　海底まで届いて降り積もる「デトリタス」がCO2の吸収「生物ポンプ 」の原動力となります。この「デトリタス」を発生させるためには要素モデル「植物プランクトン」の成長が必須であり、これを駆動させるトリガとして、人間による「海上施肥」が必要です。

　上記モデルを動作させた時の、植物プランクトンの量と、海面へのCO2吸収量を下図に示します。

図　植物／動物プランクトン数：　肥料を撒いた直後に増加している


図　CO2吸収量（マイナス値は吸収を示す）：植物プランクトン量に対応してCO2が吸収されている


図　海中のデトリタス量：時間経過とともに海底にデトリタスが堆積している

　海上施肥は、７日間隔で行っているため、「植物プランクトン」の数量は７日の周期で大きく変動しています。
　そして、 植物プランクトンの量に対応してCO2が大気から海水へ吸収されていきます。　海水へ取り込まれたCO2はデトリタスとして海底へ降り積もり蓄積されていきます。
　CommonMPでは、部品である「各要素モデル」それぞれ配置し、それらを作図するようにして接続することで、全体モデルを分かり易く示すことが可能です。
　また、本サンプルモデルの要素モデルは素人が作成しているため、論理的に正しいか否かの検証が必要です。そこで、専門家の目で見て誤った要素モデルは、新たに正しい要素モデルとして制作して、入れ替えることも可能です。
　
 後の頁で、モデルの作成方法等について詳しく説明 していく予定です。 

初版：2022/05/05 |