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Static Static モモモモ モモモモ Dynamic Dynamic モモモモモ モモモモモ モモモモモモモモモモモモ モモモモモモモモモモモモ モモモモモモモモモ モモモ モモモモモモモモモ モモモ

100711 1 modelling勉強会

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Model seminarKentaro Hayashi

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Page 1: 100711 1 modelling勉強会

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

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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

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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

Page 4: 100711 1 modelling勉強会

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

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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)

Page 6: 100711 1 modelling勉強会

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

Page 7: 100711 1 modelling勉強会

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)

Page 8: 100711 1 modelling勉強会

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

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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・・,

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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

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「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

Page 12: 100711 1 modelling勉強会

1976

Black triangle での森林衰退

Černý and Pačes ( 1995)

Page 13: 100711 1 modelling勉強会

1995

Black triangle での森林衰退

Černý and Pačes ( 1995)

Page 14: 100711 1 modelling勉強会

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)

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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