Global assessment of marine CO2 removal efficiency in the coastal ocean

海洋は、人類が大気中に放出した二酸化炭素の多くを吸収してきた広大な天然のスポンジであり、地球温暖化のペースを遅らせる役割を果たしてきました。しかし、地球の気温上昇を決定的な閾値以下に抑えるためには、単に排出を止めるだけでは不十分であることを科学者たちは知っています。私たちは、大気中から炭素を能動的に除去しなければなりません。有望なアイデアの一つに、海洋二酸化炭素除去があります。これは、海水を変質させて炭素に対して「飢えた」状態にし、海がより多くの炭素を大気から引き込むよう促すプロセスです。問題は、このプロセスが即座に起こるわけではないことです。一度海水が変質すると、炭素が大気から海へと完全に移動するまでには、数ヶ月、数年、あるいは数十年の時間がかかります。この交換は非常に広大な距離と長い時間をかけて行われるため、現実世界で直接測定することは不可能です。その代わりに、科学者はコンピュータモデルを用いて、異なる場所でこの手法がどの程度うまく機能するかを予測しますが、地球上のあらゆる海岸線に対してこれらの詳細なシミュレーションを実行することは、コストがかかりすぎて時間がかかるため、手の届かない領域でした。

現在、研究チームはこれらの計算上の限界を回避する方法を見出し、海洋ベースの炭素除去が実際にどこで最も効果的に機能するかを示す、明確で高解像度なマップを提供しています。海中を移動する「仮想粒子」を追跡する新しい手法を開発することで、彼らは、これまで不可能であったレベルの詳細さで、世界中の海岸線における炭素除去の効率をシミュレートすることに成功しました。彼らの研究によれば、熱帯の海岸の一部はこの技術にとって理想的である一方、極圏付近や特定の温帯地域などは、効果がはるかに低いことが明らかになりました。決定的なのは、効率が非常に短い距離で劇的に変化することを発見した点です。つまり、ある国の海岸線について広範で一般的な評価を行うことは、危険な誤解を招く可能性があるということです。

タスマニア大学のYinghuan Xie氏率いる研究チームは、「仮想吸収体」というシステムを作り上げました。何千もの小さな目に見えない樽を、特定の沿岸地点の海に放出することを想像してみてください。各々の樽は最初は空の状態であり、これは炭素の欠乏状態にある海水の一片を表しています。海流がこれらの樽を運んでいくにつれ、それらはセンサーとして機能し、海面に浮いている間は、大気から炭素を吸収します。もし樽が深海へと押し下げられれば、空気との接触ができなくなるため、吸収を停止します。これらの仮想的な樽の旅を10年間にわたって追跡することで、チームはそれぞれの水塊が最終的に大気からどれだけの炭素を引き込むことができるかを正確に算出することができました。

このアプローチにより、彼らは既存の、より高コストなコンピュータモデルに対してこの手法をテストすることができました。彼らの仮想的な樽は、複雑で高解像度なモデルの結果と驚くほど正確に一致しており、高度なモデルの結果を再現しながら、計算能力をわずかな割合に抑えて世界の炭素除去効率のパターンを再現できることが分かりました。実際、彼らの手法は従来のシミュレーションよりも最大100万倍安価に実行できました。この効率性の画期的な進展により、彼らはついに世界中の海岸線全体にわたって実験を行うことができ、広範な地域をいくつか試すのではなく、数キロメートルごとに約15万箇所の特定の地点をテストすることが可能になったのです。

結果は、世界の沿岸が持つ潜在能力の極めて詳細な姿を描き出しました。インド太平洋や大西洋の温暖な熱帯および亜熱帯の水域では、仮想的な樽は、海が非常に効率的に炭素を吸収できることを示しており、多くの場合、10年以内にほぼ完全な取り込みに達します。これらのエリアは、水が海面近くに留まり、そこでは空気との接触が可能となる条件を備えており、さらに水化学や風速がこの交換を促進します。しかし、マップは同時に重大な制限事項も浮き彫りにしました。南極周辺、北大西洋の一部、地中海、そして日本やオーストラリアの沿岸では、効率が著しく低下します。これらの寒冷または乱流の激しい地域では、水がしばしば海面下深くへと沈み込んだり、海氷の下に閉じ込められたりするため、大気とのつながりが断たれ、炭素の欠乏状態が解消されないまま放置されてしまいます。

おそらく最も衝撃的な発見は、効率が短距離間でいかに変動するかという点でした。研究者たちは、単一の海岸線に沿ってわずか数十または数百キロメートルの距離があるだけで、炭素除去のポテンシャルが30〜50パーセントも変動することを発見しました。低解像度の広範なマップでは、ある国の海岸線全体がこの技術の適地であるように見えるかもしれませんが、詳しく見てみると、最も効果的な地点は、効果の低い水域に囲まれた孤立したポケットのような場所であることが多いのです。例えば、日本の海岸の一部は低い効率を示していましたが、特定の近海エリアは依然として高いポテンシャルを持っていましたし、その逆も同様でした。このレベルの詳細さは極めて重要です。なぜなら、実際のプロジェクトは小規模で行われる可能性が高く、そこでは局所的な海流や水深が、地域平均よりもはるかに重要な意味を持つからです。

研究は、なぜこのような違いが生じるのかについても説明しています。高効率ゾーンでは、水温や強い風に助けられ、水が空気と呼吸できる上層部に留まる傾向があります。低効率ゾーンでは、水が深海へと押し下げられるか、あるいは氷に覆われてしまうため、炭素の交換が妨げられます。研究者たちは、こうした困難な領域のいくつかにあっては、プロセスが単に遅くなるだけでなく、ある時点を境に完全に停止してしまうこともあり、そのため、長く待ったとしても結果は改善されない可能性があると指摘しています。

この新しいツールは、単に海洋をマッピングするだけではありません。数値の背後にある物理的な理由を理解する方法を提供します。炭素除去の効率を、風速、水温、水の混合の深さといった特定の要因に結びつけることで、研究者たちは政策立案者に対し、なぜ特定の場所が適しているのか、あるいは不適当なのかを正確に伝えることができます。彼らはデータとインタラクティブなウェブサイトを一般に公開しており、誰でもこれらの沿岸条件を詳細に探索できるようになっています。本研究はシミュレーションに基づいており、海洋におけるあらゆる生物学的反応を考慮に入れているわけではありませんが、世界中の海岸線をスクリーニングするための、堅牢かつ手頃な方法を提供しています。海洋による炭素除去が気候変動との戦いにおける実行可能な手段となるためには、広範な一般論を超えて、私たちの身近な海岸の具体的かつ高解像度な現実に目を向けなければならないことを、この研究は示唆しています。