本研究では、温暖化問題の緩和対策としてサンゴ礁利用の可能性を評価することが目的である。そのため、研究課題を二つに分ける。第一は、サンゴ礁と地球の炭素循環の関係を明確にするために、CO₂固定に関係する各プロセスと、全体的なバランスを制御する機構を調べることである。第二の研究課題は、地球環境工学的にサンゴ礁生態系のCO₂固定の促進概念を設計し、数値モデルを利用して、この促進概念が地球温暖化対策になる可能性を評価する。

　本研究ではシステム工学的に地球温暖化対策としてのサンゴ礁利用可能性の検討や評価を行う。これらのapproachは研究対象をシステムとして考察し、客観的に定義する。そのため、まず研究対象の空間と時間領域の境界を明確にする。そして、ある物質またはエネルギーを考慮し、それを持つ対象の空間と時間領域に含まれている重要なstate variablesを指定する。次に、このstate variablesを繋げるプロセスを決める。このプロセスとstate variablesの合わせたものが研究対象のシステムである。プロセスが、制御する要因にどのように依存するかを明確することが重要である。各プロセスと制御する要因の関係を数学式、又は数値モデルで表現できると、システム全体も数学的に定義するモデルができる。このモデルは研究対象に関係する多くの情報やデータを合成することによって、現象を理解しやすくするためのframeworkになる。

　海洋沿岸領域の生態系であるサンゴ礁による大気から海洋の深海へのCO₂固定促進が地球温暖化問題を緩和する対策として挙げられている。サンゴ礁による一次有機生産は大きい(Lewis1977)。Smith(1978)が地球のサンゴ礁の全面積をほぼ600,000km²と見積もった。Kinsey(1985)が従来のサンゴ礁の研究をまとめ、サンゴ礁の平均光合成による一次有機生産速度は約3gCm^-2d^-1と述べた。これらの値を用いて計算すると、一年間で約6億トンの炭素を有機物としてサンゴ礁が固定することになる。しかし、現実にはほとんどの有機物は再び呼吸や分解でCO₂の形に戻ってしまい、ネット有機生産(光合成-呼吸)がほぼゼロとなる(Kinsey1985)。

　海のCO₂固定の一番実現可能性の高い機構はbiological pumpを推進することである。Biological pumpは、有光層内で、植物プランクトンが光合成を行い、CO₂を固定する。この固定されたCO₂の大半はすぐ呼吸によりCO₂の形に戻るが、ある量は植物プランクトンの体になる。この植物プランクトンが死ぬと、有光層から深海へ落ちていく。沈みながら、微生物により分解されるが、十分深いところでの変化であれば表層に戻す機構は拡散や上昇流しかないので、長い間大気に戻らない。

　Biological pumpの律速要因を次に述べる。海の有機物生産速度を律速する要因はCO₂ではなく、他の必要な栄養塩だと考えられている。従って、biological pumpを推進する方法の一つは栄養塩の供給を高めることと、海の植物が窒素塩やリン塩の分子一つあたり、取り込む炭素の量を示すC:N:P比を大きくすることだと考えられる。サンゴ礁の中に存在している海藻類のC:N:P比は550:30:1程度であり(Atkinson and Smith1983)、植物プランクトンと比べて2-3倍大きい。そして、サンゴ礁で生産された有機物は植物プランクトンの糞や死体より大きいため、沈む速度が早く、酸化速度が遅くなると考えられる。

　サンゴを壊さずに利用し、biological pumpを推進するためにはどうすべきであろうか。サンゴ礁は普通、礁とラグーンに別れている。礁の上では有機生産が盛んであり、有機物が沢山できている(Kraines et al.1996,Kinsey 1985)。しかし、この有機物のほとんどはラグーンの中で分解され、海に運ばれる前にCO₂に戻ってしまう。従って、ラグーンの滞留時間を短くすることでCO₂の吸収源になると予想され、更に生物の分布を抑制すると更にCO₂を吸収させることができると考えられる。

　サンゴ礁からできた有機炭素をbiological pumpに利用できれば、CO₂は深海に固定することになる。対策にするためには、この自然にある機構を人工的に推進しなければならない。しかし、このようにサンゴ礁の美しくて重要な生物であるサンゴを全部壊すということは絶対にしてはならないことである。サンゴを壊さずにCO₂の固定を促進することが本研究の課題である。

　大気中のCO₂の固定に対するサンゴ礁の役割を調べるため、現場調査を二カ所で行った。第一の現場は、琉球列島の宮古島の保良湾である。保良湾は、面積約1km²で、最大水深6mの小さなラグーンが南側のサンゴ礁で外洋と繋がっている。第二現場は、赤道の近くにあるマーシャル共和国のマジュロ環礁である。マジュロ環礁は、面積が約400km²、最大水深が67mの、保良湾と比較して極めて大きな現場である。ラグーンが環礁全体の面積の90%を超え、残りの10%がサンゴ礁と島である。しかし、ラグーンの南側は完全に陸が繋がっており、そこでは外洋との海水交換は全くない。従って、外洋との隔離が高く、ラグーンと外洋の海水交換が小さいと考えられている。対策によって、海水交換を大きくできる可能性がある現場と考えられた。

　本研究では、数値モデルは三種類を用いた。流体シミュレーションからサンゴ礁内の水の流れ、外洋との交換、滞留時間を検討した。有機炭素と無機炭素生産モデルを構築し、サンゴ礁の光合成や石灰化を見積もった。そして、粒子移動モデルで、粒子状有機炭素のFate、流れによる滞留時間と分解速度の関係を調べた。

　サンゴ礁の物質循環に関しては海水中の流れや拡散による移動がとても重要な役割を示す(Kraines1995a)。保良湾のサンゴ礁では、沿岸海域で普通に見られる潮汐による周期的な海水の出入りではなく、ほとんど一方的にサンゴ礁の西側から入り、東側から出る流れが観測された(図1)。流体シミュレーションを保良湾に適用し、流れを計算した。潮汐と風だけでは測定した流れを再現できなかったが、サンゴ礁の礁そのものが海水の流れに重要な影響を与えると考えられた。沖で生じた風波がサンゴ礁に当たると、その波が崩れる。崩れると、波が持つ運動量のフラックスが急に減り、力を生じる。その力に対応するため、海よりサンゴ礁の上の水位が数cm高くなる。この機構は、radiation stressと呼ばれる(Longuet-Higgins and Stewart1964)。保良湾では、サンゴ礁の東側が西側より深いため、そこでのradiation stressはあまり効かないので、相対的に波が崩れる西側の水位が高い。水位が上がった西側サンゴ礁からラグーンへ入り、東側にある抜け道を通って海へ戻る流れができる。Radiation stressの効果が含まれているシミュレーション結果は実測した一方流れを再現した(図2)。

　修士課程で構築したサンゴ礁内の溶存酸素や無機炭素の変化を再現するモデルを基に、炭素生産に制御する要因の生産率との関係を調べるためにPFR-CSTRモデルを構築した(Kraines et al.1997)。サンゴ礁の上の流れの影響を計算するため、サンゴ礁は押し出し流れで、ラグーンにある測定装置の周りは完全混合器だと仮定する。これらの数学式を解き、その得られた関係式を用いて測定された溶存酸素と流速データからガス交換率、流れの影響などを差し引き、その時の生産率を計算する。同時に測られた光量とモデルから得られた生産率との関係を明確にした。

　マジュロ環礁の調査の主な目的は、ラグーン内の流れと滞留時間を把握することであった。そこで、流速計の係留設置と、CTD(塩分、温度、水深の垂直分布)観測を行った。フーリエー変換を利用し、各々の流速計での潮流を計算した。潮位変化を考慮した二次元モデル結果は実測値から得られた潮流を良く再現した。次に、CTDデータから密度場を決め、三次元診断モデルで密度差、風、radiation stress、とtidal stressで生じる流れを計算した(図3)。観測されたCalalin海峡へ向かう循環のパターンが再現され、海峡から出る流速と流向もほぼ合っていた。観測値に見られた海峡の出る流れがモデル結果にも表れた。測定点Bの低層で測定された不思議な南方向流も計算結果で説明ができた。これは西側にある浅い地形に沿って、密度差やCoriolis Forceの影響によって生じた流れだと考えられた。

　各フォーシング要因単独での計算を行い、得られた流れ場による外洋との交換量を計算した。密度差があまりないため、密度から得られた流れはほとんど外洋と交換しない。Tidal stressの効果もほぼ無視できる程度であった。風がかなり強いので、ラグーン内の水が大きな循環で流れた。しかし、この流れだけでは、沖とラグーン内の交換があまり起きなかった。一方、radiation stressで起こした流れが非常に大きな交換を生じた。ほとんどマジュロ環礁の海水交換はこのradiation stress機構によって起こることが明らかになった。調査期間のマジュロ環礁の滞留時間は約2週間と計算された。

　上述した流体シミュレーション結果に基づいて、マジュロ環礁の中で粒子状有機炭素物の三次元移動シミュレーションを行った。各フォーシングから得られた流れ場を利用した場合、radiation stressの流れ場で外へ運ばれる粒子が一番多かった。だが、粒子を輸送するもう一つの機構が考えられた。風と潮汐を合わせると、風による循環が粒子を海峡の近くまで運び、そして潮汐による海峡の海水の出入りでその粒子が海洋へ輸出される。計算結果から、ある条件ではこの風と潮汐による輸送機構はradiation stressが生じる流れの効果より大きいことが分かった。

　宮古島の保良湾で見られた不思議な流れを、水深の依存性を含むradiation stressの効果でほとんど完全に説明できた。そして、マジュロ環礁の流体シミュレーションを行った結果、海水の外洋との交換はほとんどradiation stressの効果で決まった。粒子状有機炭素物の移動シミュレーション結果、フォシング要因を別々に考察した場合、radiation stressが一番効率よく粒子を外洋へ輸送するが、風と潮汐を合わせた機構もとても重要な役割する可能性があることが分かった。