地球温暖化や氷期・間氷期など気候変動の理解には、二酸化炭素などの温室効果気体を含む物質の海洋における循環を明らかにする必要がある。海洋循環の物理過程だけでなく、化学、生物学過程を含む学際的な課題であることから、海洋生物化学大循環モデルは世界的にも未だに2、3が提出されているにすぎない。本論文は海洋生物化学大循環モデルの開発に取り組んだもので、4章で構成されており、第1章は論文全体の問題設定と緒言、第2章「海洋生物化学大循環モデルを用いた海洋における炭素循環にはたす粒子状有機炭素の鉛直フラックスの役割の研究」、第3章「海洋生物化学大循環モデルを用いた海洋における炭素循環にはたす溶存有機炭素の役割の研究」、そして第4章で結論を記述している。

　本研究では、海面における風の応力、温度、塩分に気候値を与えて現実に近い海水の循環と温度、塩分の分布を表現するモデルをつくり、溶存酸素、栄養塩、そして炭素循環を支配する生物、物理、化学過程をモデルに組み入れてこれらの全球分布を調べ、観測値と比べることによりモデルを検証している。取り扱う過程は、移流拡散、大気と海洋間のガス交換、炭酸-ホウ酸-水系の化学平衡、粒子状有機物・難溶解性溶存有機炭素・準難溶解性有機炭素の生成溶解、同位体分別効果などであり、モデルの予報変数は大気中の二酸化炭素濃度、海洋中の全炭酸、アルカリ度、リン酸、酸素、溶存有機炭素、炭素同位体比(C13,Cl4)である。

　論文提出者も開発に参加した東京大学気候システム研究センターの海洋大循環モデルを用いた。全球を扱い水平分解能4度、鉛直17層である。風はHellerman and Resenstein(1983),海面での温度・塩分はLevitus(1982)の気候値を与え、1万年間分を積分して定常状態を作った。ただし、北大西洋の深層水の形成を表現するために、北緯60度付近の温度は冬季気候値を設定した。海面を通した酸素、二酸化炭素の交換、生物活動による粒子状有機炭素と炭酸カルシウムの生成をリン酸と太陽放射の関数として与えて3千年間の積分を行った。粒子状有機炭素の分布やアルカリ度、炭素同位体比等は観測値やそれらのパラメータ化表現を用いた。これらの化学物質分布を支配するパラメータの中で、著者の独創性は粒子状有機炭素に対する炭酸カルシウムの沈降比である。従来は2ボックスモデルによる考察で0.25が採用されていたが、再鉱物化深度が粒子状有機炭素で540m、炭酸カルシウムで3500mであることを考慮に入れると、沈降比は0.04と小さいことを示し、最近のセジメントトラップ実験もこれに近いことを指摘した。沈降比を0.045とした数値計算の結果は、流線関数、温度、塩分、C14、リン酸、溶存酸素、全炭酸、アルカリ度、C13の大西洋、太平洋の分布が観測値に近い分布が得られた。全海洋における全炭酸とアルカリ度の相関は観測値(GEOSECS)に近いが、沈降比が0.25や0.12と大きいと観測と大きく外れることから、沈降比0.045が妥当であることを示した。リン酸の分布は粒子状有機炭素の生成と消費によって決まり、最近のセジメントトラップ実験の結果を組み入れると観測と一致することを示した。

　従来のBascastow and Maier-Reimer(1990)の数値モデルではリン酸の極大層が観測値より深く、Bacastow and Meier-Reimer(1991)等では溶存有機炭素を組み入れると改善されることを示していた。このことを確かめるために、難分解性溶存有機炭素と準難分解性溶存有機炭素をモデルに組み入れた実験を行い第3章に記述している。最近の観測は表層赤道太平洋に東西に延びる2つの極大帯があることを示しているが、この分布はモデルでも再現された。また、溶存有機炭素や溶存無機炭素中のC14比の観測値も表現されることを示した。さらに、溶存有機炭素のフラックスが大きいのは表層400mまでで、それ以深での化学トレーサーの分布は粒子状有機炭素によることを明らかにした。

　以上のように、最近の観測結果のモデルへの組み入れにより、いくつかの生物学、化学的に重要な基礎過程を解明し、最先端の海洋生物化学大循環モデルを構築した。一方、深層水形成を含む海洋大循環の直接的な検証は困難であり化学トレーサーの分布が利用されているが、開発されたモデルに再現されたこれらの分布が観測と一致したことは大循環過程の理解の確かさを実証したもので、大きな功績である。なお、本論文第2章、第3章は 田近英一氏との共同研究であるが、論文提出者が主体となって数値モデルへの組み入れ、数値実験ならびに結果の解析を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

　したがって、博士(理学)を授与できると認める。