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Model seminarKentaro Hayashi
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StaticStaticモデルとモデルと DynamicDynamicモデルの間モデルの間酸性化影響評価の事例から酸性化影響評価の事例から
農業環境技術研究所 林 健太 農業環境技術研究所 林 健太郎郎
自己紹介
• 氏名: 林 健太郎 (はやし けんたろう)• 所属: 農業環境技術研究所物質循環研究領域• 専門分野: 大気科学,土壌学• 研究キーワード: 物質循環,大気-陸面相互作用
地球システムの窒素賦存・循環量
循環量(青:自然,赤:人為, 90年代, Tg N yr-1, Gruber & Galloway 2008 より作図)
賦存量(緑, Tg N, Svensson & Söderlund 1975)
人間活動化石燃料消費
工業的窒素固定
125
25 雷
5大気
陸域 海洋
肥料 沈着 窒素固定 脱窒 硝化・脱窒
脱窒 沈着 窒素固定 脱窒 硝化・脱窒
沈着発生
100 424014010+4017+208+4100+15
110+35
20+5520+50
生物炭素生物炭素反応性窒素
Reactive N反応性窒素Reactive N
河川流出
生物リン 生物リン埋没
30+50
25
NO3, NH4
NO3,NH4 N2 N2 N2O
NO3,NH4N2 N2 N2 N2O
3.9×109
7.3×102 1.1×106
2.2×107溶存N2
岩石 堆積物 石炭鉱床1.9×1011 4×108 1.2×105
陸域生態系の窒素循環の全体像
土壌有機物
不動化
土壌微生物
可給態窒素土壌粒子陽イオン
交換
アンモニウム固定
溶 脱
有機化
脱 窒
窒素固定
N2
溶 脱
陰イオン交換
無機化
放 出
リター還元
有機態窒素 腐植
脱窒菌
窒素固定菌
一部の粘土鉱物
NO
N2O
N2
沈着
直接吸収
揮 散植物バイオマス
地上部
地下部
湿性沈着:アンモニウムイオン(NH4+),硝酸イオン(NO3
-)乾性沈着:NH3,NOX,硝酸,亜硝酸,粒子状窒素化合物
硝 化硝化菌
NH4+
NO3-
養分吸収
表面流出,侵食
大気
土壌
分子拡散による大気への放出
NHNH44++
酸化数
NONO22-- NONO33
--
NN22OO
NONO
NN22
-3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5
脱窒
硝化
硝化・脱窒に伴う窒素の化学種および酸化数の変化(教科書的模式)
硝化・脱窒に伴う窒素の化学種および酸化数の変化(仮想を含む全体像)
分子拡散による大気への放出
NHNH44++
酸化数
NONO22-- NONO33
--NHNH22OHOH
NN22OO
NONO
NN22
-3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5
脱窒
硝化
Anammox
HNOHNO
HH22NN22OO22NN22HH44
??
同化
大気
土壌
窒素沈着の増加がもたらす影響(林, 2008)
窒素沈着の影響
微生物
どちらに
強く効くか?土壌炭素
vs
大気
土壌
窒素沈着の増加CO2
増加N2O増加
CH4
増加
地球温暖化の緩和
地球温暖化の加速
リターの増加
増加
土壌呼吸の増加
CH4酸化の抑制
植物生産の増加
脱窒の増加
減少
酸性化
富栄養化
可給態窒素の増加
硝化の増加
種構成の変化
硝酸性窒素の溶脱
CO2減少(土壌炭素の増加分)
酸性化問題とは?
•酸性化( acidification): 人為的に排出される酸性化原因物質に起因する環境の酸性化主な原因物質は硫黄酸化物や窒素酸化物大気中で硫酸や硝酸となり沈着して酸性化を起こす一般には「酸性雨」として知られる現象
•酸性化問題の特徴大気輸送により酸性化物質の沈着は広範囲で起こる付近に汚染源がない清浄地域でも酸性化が起こり得る
ひとたび酸性化した環境は容易に元に戻らない発生源対策が唯一の根本的な対策越境大気汚染の一環として政治問題にもなりやすい
大気中の主な酸性化物質
•硫酸( H2SO4)大気中の主な強酸.人為起源の寄与が大きい
•硝酸( HNO3)大気中の主な強酸.人為起源の寄与が大きい
• 塩酸( HCl)強酸.大気中の存在比率は低い
•有機酸( RCOOH)弱酸.低分子有機酸が主体(ギ酸,酢酸など).大気中の存在比率は低い.ただし,清浄地では相対的に重要
•アンモニア( NH3)塩基性物質であるが・・,
NH3:酸性化に寄与する塩基性物質
•大気中の NH3は,硫酸や硝酸の中和に重要な塩基NH3 + H2O → NH4
+ + OH-
2NH4+ + SO4
2- → (NH4)2SO4
NH4+ + NO3
- → NH4NO3
•しかし,ひとたび地上に沈着すると,NH4
+の一部は硝化菌と総称される微生物に利用される
NH4+ + 2O2 → NO3
- + H2O + 2H+
これを,硝化(硝酸化成)( nitrification)という 厳密にはアンモニア酸化と亜硝酸酸化の2段階からなる
NH4+が硝化されると正味で1価の酸として寄与
硝化のため一般に浸透水のNH4+ 濃度は低い
「酸性雨」?
• 意味の限定: 雨による湿性沈着をあらわす.
• 雨が多い日本: 酸性雨という用語が広がった原因.
•酸性化に関して: 酸性化物質(酸性物質+NHX)の大気からの沈着を総称して「酸性沈着」.
大気沈着 酸性沈着酸性雨湿性沈着
1976
Black triangle での森林衰退
Černý and Pačes ( 1995)
1995
Black triangle での森林衰退
Černý and Pačes ( 1995)
ノルウェーにおける魚類影響
酸性化による魚類被害が生じた領域の拡大(ノルウェー)
( Hesthagen et al. 1999)
欧州における調査活動
• 1978 年: 欧 州監 視 評 価 計 画( EMEP)が発足
• 調査対象: 当初は,酸性化の原因物質となる硫黄酸化物および窒素酸化物
酸性沈着の観測サイト( 2001年時点, EMEP)
欧州での対策の枠組み
• Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution ( LRTAP): 長距離越境大気汚染協定事務局: 国連欧州経済会議( UNECE)
1979年採択, 1983年発効
49 ヶ国が参加( 2004年 6 月時点)
酸性化などの多様な大気環境問題に取り組む
科学と政策との結合にあたっての重要な枠組み
これまでに8つの議定書を締結
先述の EMEPも重要な活動の一つ
LRTAP 協定の枠組み
Executive Body
Working Group onEffects
EMEPSteering Body
Working Group onStrategies and Review
Implementation Committee
ICP ForestsTask Force
ICP Integrated MonitoringTask Force
ICP Modelling and MappingTask Force
ICP MaterialsTask Force
ICP VegetationTask Force
ICP WatersTask Force
Task Force on Health
Task Force on EmissionInventories and Projections
Task Force onMeasurement and Modelling
Task Force on IntegratedAssessment Modelling
Chemical CoordinatingCentre
Meteorological SynthesizingCentre-West
Meteorological SynthesizingCentre-East
Centre for IntegratedAssessment Modelling
Expert Group onAmmonia
Expert Group onPOPs
Network of Experts onBenefits and Economic
Instruments
Expert Group onTechno-economic Issues
Expert Group onHeavy Metals
( LRTAP 協定 HPより)* ICP: International Co-operation
Programme
LRTAP 協定の議定書
• 1984 ジュネーブ議定書: EMEPの活動内容を規定
• 1985 ヘルシンキ議定書: 硫黄酸化物を規制
• 1988 ソフィア議定書: 窒素酸化物を規制
• 1991 ジュネーブ議定書: VOC(揮発性有機炭素)を規制
• 1994 オスロ議定書: 硫黄酸化物のさらなる規制
• 1998 オルフス議定書: 重金属を規制
• 1998 オルフス議定書: POPs(残留性有機汚染物質)を規制
• 1999 ヨーテボリ議定書: 酸性化物質,富栄養化物質,対流圏オゾンのさらなる規制
酸性化に関して重要な議定書
• ヘルシンキ議定書( 1985 ; 22 ヶ国批准) 硫黄排出量と越境フラックス: 1993年までに少なくとも 30 %削減( 1980年基準) → いわゆる 30 %クラブ
• ソフィア議定書( 1988 ; 28 ヶ国批准) NOX排出量と越境フラックス: 1994年末に 1987年の実績を超
えない• オスロ議定書( 1994 ; 25 ヶ国批准)
硫黄酸化物排出量: 2000, 2005, 2010年の排出量目標値を設定( 1980, 1990年を基準)
各国の硫黄酸化物排出量,大気輸送および臨界負荷量のモデル評価結果を利用し,国ごとに異なる削減目標を設定
• ヨーテボリ議定書( 1999 ; 31 ヶ国調印, 11 ヶ国批准,未発効) 硫黄, NOX, VOC, NH3排出量: 少なくとも, 2010年の排出量を硫黄 63 %, NOX 41 %, VOC 40 %, NH3 17 %削減( 1990年基準)
酸性化,富栄養化,対流圏オゾン増加を軽減するために,欧州全域での包括的な削減目標を設定
EMEPの概要
• 1978年に発足. OECDの 1973 ~ 1975年の先駆的調査を継承
•大気汚染物質の越境輸送問題に取り組む 正式名称: Co-operative Programme for Monitoring and
Evaluation of the Long-Range Transmission of Air Pollutants in Europe.
初期には,酸性化および富栄養化物質を対象 次には,対流圏オゾンにも拡大さらに近年には,残留性有害有機物( POPs: Persistent organic
pollutants),重金属,粒子状物質にも拡大
• 基本要素 Emission inventory: 大気汚染物質の排出量の把握 Measurements: 湿性沈着および乾性沈着の観測 Modeling: 大気輸送や大気沈着のモデル評価 これらの結果を用いて統合評価を行う
対策の流れ(欧州・超概略)
• どれだけ沈着しているのか湿性沈着(観測),乾性沈着(観測&モデル)
• どれだけ発生しているのか観測(ボトムアップ),統計&モデル(トップダウン)
• 発生したものがどこにどれだけ沈着するのかSource-Receptor Relationship(モデル)
• 受け取る生態系がどれだけ耐えうるのかCritical load (static model), 経時変化 (dynamic model)
• 影響を考慮した上で,各国の削減目標を設定国によって不平等な削減義務-科学的根拠あってのこと
• 削減対策実施
つくばみらいつくばみらい FACEFACE(( 20102010~)~)