気候学 (climatology)

気候 (climate)

気候分類

自然条件を長期観測(数10年, 通常30年間) → 平均的傾向を分析・分類 Ex. ケッペンの気候区分

気候: 地域周辺の海陸の分布・地形・植生・生物に影響され、恒久的に同じ気候とは限らない
気候変動 climatic variation: ある平均的な気候(平年状態)に比較した、年度ごとの上下のばらつき → 地球温暖化 (global warming)
気候変化 climatic change: 平年状態が徐々に変化する場合

バタフライ効果 (butterfly effect)

系の変化が初期条件に鋭敏に依存 → 予測不可能な挙動

数値計算精度向上 ≠ 正確予測

1. 静気候学的
2. 動気候学的

1. 静気候学的区分: 個々の気候要素に対し地域区分 → 重ね合わせ気候区分 → 平年値 + 年次変動
2. 動気候学的区分: 気候区分指標に気候成因を表す気団・前線分布や季節的移動を用い区分

   中気候以下の区分困難 → 小区分において地域性を把握できる指標・方法を用いる必要性

3. 経験論的区分: 元来欧州・米国等大陸気候区分を植生分布指標で行った大気候を対象
   Ex. Köppen, Thornthwaite: ケッぺン気候区分を中気候に適用 = 植生図
   日本レベル: 中気候区分すべき裏表日本地域が同一地域に区分等、適合性低 → 影響気候条件を反映する植生指標必要

気候    水平的広がり     垂直的広がり  Ex. 気候現象                     
大気候 200-40000 km  1 m-120 km    季節風、東アジアの雨期
中気候 1-200 km          1 m-6 km        盆地の気候、関東平野の風
小気候 10 m-10 km      10 cm-1 km    斜面の温暖帯、霜道
微気候 1 cm-100 m      1 cm-10 m      水田の気候、温室内の気候

(生態学的意味)

積算温度

成長(発育)

v = 成長速度
w = 温度 (w > w₀)
w₀ = 成長可能最低温度(成長0点、成長限界温度)
k = 積算温度定数 constant

d(w - w₀) = k

日本の昆虫: w₀ ≈ 10が多い

応用: 害虫発生時期予測

(吉良 1948)

温量指数 (warmth index)

WI = Σ¹²_i=1 (t_i > 5)  但しt_i > +5°Cの月平均気温
CI = Σ¹²_i=1 (t_i < 5)  但しt_i > +5°Cの月平均気温

月          1      2      3      4      5      6      7      8      9      10    11    12       計
気温    -6.3  -5.3  -1.6   5.3 10.5 14.9 19.3 21.0 16.3   9.8   3.2  -3.4
WI                                 0.3  5.5   9.9 14.3  16.0 11.3   4.8                     62.1
CI      -11.3 -10.3  -6.6                                                         -1.8  -8.4    -83.4
[温量指数分布と日本の植物分布帯]

垂直: 全世界平均 = 0.55°C/100 m

(日本の海抜1500 mまでの減衰率 = 0.61°C/100 m)

水平: 南北平均 = 5°C/1000 km → 無視できる規模なら使わなくてよい

         Tm    WI                  Tm    WI                               Tm    WI
青森   9.6    77    高知     16.1  133   アンカレッジ(AK)   1.8    31
宮古 10.4    80    静岡     15.7  121   ノーム(AK)          -3.3     12
秋田 10.9    87    鹿児島 17.0  144   ベルホヤンスク   -15.2    25
仙台 11.6    91    那覇     22.3  208          (シベリア)

☛ フェノロジー

生物季節

植物季節 + 動物季節
植物規定種目 (2020年改訂): アジサイ開花、イチョウ黄葉・落葉、ウメ開花、カエデ紅葉・落葉、サクラ開花・満開、ススキ開花

Ref. 生活気象: 生活の節目の日により気象状態、季節遅速を知る

Ex. コタツを使用し始めた日

季節前線 Ex. サクラ前線 (cherry blossom front)、紅葉前線

植物季節観測用標本

+ それらの不時現象

不時現象

1

2

3

[ 健康 ]

気象病

Ex. 前線通過すると頭痛、喘息、古傷が痛む
Ex. 夏に気温や湿度が高い(= 不快指数↑)と頭痛

季節病

Ex. 冬にインフルエンザ流行、冬に高血圧患者増える - 室内管理も重要

釧路気象台

ウィンドプロファイラ

感雨器 (precipitation detector)

浦河特別地域気象観測所

アメダス (AMeDAS)

熱帯収束帯: 激しく上昇し上空北上 → 北緯30°付近で下降(亜熱帯高圧帯)
→ そこから偏東風(北東貿易風)とし赤道へ戻る 南北熱輸送: エネルギー収支(温度差) → 低緯度 > 高緯度

エネルギー輸送発生 → 水平対流 [原因 = 浮力] → ハドレー循環

間接循環(低緯度 = 下降 → 高緯度 = 上昇) → フェレル循環

赤道低圧帯形成(↔ 高圧部 anticyclone)
北半球: 右方向向く → 北東貿易風 trade wind, (the) Trades

熱帯無風地帯 Doldrums

南半球: 左方向向く → 南東貿易風
中緯度(40°N, 対流圏界面): 偏西風帯 → ジェット気流 (寒冷ジェット気流 + 亜熱帯ジェット気流)

寒帯前線ジェット気流 polar front jet stream
亜熱帯ジェット気流 subtropical jet stream
赤道ジェット気流

渦 + 平行流 → 波
気圧の谷の軸(渦管)は上層に行くほど西傾

赤道上で最大気圧震動をもつ重力波 → 熱帯大気高度18-25 kmの下層大気に発生
赤道上空の準2年周期運動に重要な役割

温帯低気圧発達 ＝ 対流有効位置エネルギー(CAPE)の運動エネルギーへの変換

低気圧前面: 暖気移流及び後面における寒気移流 ↔ 上昇流及び後面における下降流

熱帯低気圧のエネルギー源 = 水蒸気凝結時の潜熱

大気環境を決める2つの物理量

表. 空気成分と各気体平均滞留時間。*: 乾燥空気 = 100 (ユンゲ 1972)

成分         分子状  分子状   アルゴン  水蒸気        二酸化
                窒素 N₂ 酸素 O₂ A             H₂O           炭素 CO₂
体積%*    78.084   20.946  0.93        平均 0.39    0.0315
滞留時間  10⁶  yr   10⁴ yr   10⁹ yr     10 days      15 yr

大気成分比はCO₂を除くと、ここ100年間は殆んど変化ない
海洋を含む地球表面に約43,000 × 10⁹ tの炭素がCO₂, CH₄、炭酸塩、有機物等化合物として分布

約93%が海、約5%が陸地、約2%が大気中に蓄積

→ 循環しているが、人間活動大気中放出CO₂, CH₄量増え地球温暖化

気温 = 熱エネルギー
気圧 = 大気質量
水蒸気量(相対湿度、混合比、比湿) ↔ 雲量、降水量、水相変化 → 降水量と海洋分布が支配 → 変動大
風向・風速・運動量

500 km
300 kmで1200°C, 2 × 10^-7 mb

500-2000°C
80 km = 中間圏界面 mesopause (= 中間止面)

温度190-180 K
50 (55) km = 成層圏界面 stratopause (= 成層止面)

(= 高温層: 地上50 km付近で0°C)
10 (18) km = 対流圏界面 tropopause (= 対流止面)

→ 0.5-0.66°C/100 m↑, 垂直方向対流(攪拌)盛ん

対流圏

→ 上は約-55°Cで最も重い空気層 → それより上は高温度の安定大気層

対流圏の定常波の影響で、成層圏にも存在(成層圏にも伝搬)

波長は地球規模となり、高度は対流圏全体に及ぶ

成層圏

1952.2.23: ベルリン上空15 hPaの温度が前日と比べ約40K上昇

→ 局地的現象でなく、北半球全域を覆う成層圏循環大変動 = 原因: プラネタリー波の上方伝播

高いところで早く始まり、次第に弱まりながら下層に移動

赤道の下部成層圏: 偏東風と偏西風が交代(周期 = 26ヶ月) → 高度40-50 kmまで(最大振幅25 km)

東風も西風も上層に始まり時間が経つにつれ下層に下りてくる
1風系が18kmまで下がる頃に、次の風系が上層で形成

極域下部成層圏の冬季に、極冷領域で観測される雲
雲中の粒径分布一様 → 入射太陽光の散乱に波長依存性 → 色彩に富む(真珠に例える) 粒子形成・成長過程: 2つの成長段階 (霜点, T_f)

1. T_f + 2 - 6K → 非球形固相粒子(Ex. 硝酸三水和物) + 球形液相粒子 (Ex. 三成分系液滴エアロゾル)
2. T_f > → 半径 > 1 μmの氷晶

成層圏-中間圏

高度:_________成層圏・中間圏構造
地表-10 km:___低緯度が高温で、極に向けて温度下がる
10-25 km:_____冬の極域除き、赤道上で温度最低 → 対流圏界面高さ
> 25km (上層): 夏極で最高、冬極で最低 → オゾンの紫外線吸収量
> 65 km:______夏極で最低、冬極で最高

成層圏・中間圏: 風系一繋ぎ = 夏半球は全域東風、冬半球は全域西風
熱圏: 風系別個(中間圏界面付近で風速 ≈ 0) (観測不十分)
対流圏、成層圏・中間圏、熱圏の3種の風系 → 3エネルギー源(可視光、紫外線、極短紫外線・X線)

温度が極向きに下がっているところでは、上層に行くにつれ西風強くなる
逆に極向きに温度が上がっていると、西風弱まる(または東風強まる)

電離層 ionospheric layer (電離圏ionosphere)

シンチレーション: 電離圏プラズマが乱れて起こる電波障害
電離圏嵐: プラズマの異常変動 → 正 = 電子密度増加 ↔ 負 = 減少

デリンジャー現象: 太陽面で爆発(フレア)が起こり、放出されたX線により電離層が乱される現象

表. 電離層の区分 → 電離を起こす紫外線波長が異なる
層__________D________E____F (F1)__F (F2)
高度(km) 地上-70(80) 100-120 170-230 200-500

中規模伝播性電離圏撹乱 medium-scale traveling ionospheric disturbance, MSTID: 中緯度上空電離圏にできる縞状の波 - 原因未詳
大規模伝搬性電離圏撹乱 LSTID: オーロラ帯から中低緯度に向けできる巨大な津波のような波

高度60 km-900 km: プラズマ豊富時 (+ 原子励起状態となる大気濃度)

→ オーロラ帯: 良く発生する極を中心に緯度70°位の帯状部分

大気光(星明り, 俗): 明るさオーロラの10^-2-10^-3 Ex. 夜に稜線明瞭

→ 赤道異常帯: 大気光が顕著な緯度10o位のところの帯状部分

イオンアウトフロー: 酸素原子がイオン化し地球外へ出て行く現象 → 極地上空に見られる

説: オーロラによる電気的力による

夜光雲 noctilucent cloud: 夏宵闇頃の中・高緯度地方(55-65°N)の高度75-90 kmに表れる巻雲に似た雲

高度 ≈ 80 km(中間圏)に氷粒発生し形成 → 通常雲 < 15 km a.s.l.
中間圏の温度が低い証拠 → 温暖化により夜光雲増加予測

大気境界層 boundary layer

1. 太陽光を吸収し熱を大気へ与える
2. 摩擦により地表面に接する空気の動きを止めようとする
3. 摩擦により水平面上の渦の姿勢や内部の流れを変える

測定方法

土壌水分 = 降水 + 降雪 + 蒸発(散)
蒸発量は測定が難しい → [仮定] 温度 ∝ 蒸発

放射乾燥度 (乾湿度) (wet-dry ratio, W/R ratio, WR)

R_n: 水分蒸発に使われる利用放射量
R: 雨量
λ: 水の気化潜熱

< 1: 森林成立条件 (Ex. 瀬戸内海 0.8)

(川喜田・吉良 1945)

乾湿(度)指数 (aridity-humidity index, K)

       砂漠 ステップ サバンナ 森林 多雨林
K =   ≤ 3     3-5       5-7       7-10    ≥10

(Thornthwaite 1948)

ソーンスウェイトの最大可能蒸発散量 (E)

(短草草原で)十分に水を供給した際の最大可能蒸発散量 →
農耕栽培可能地域判定

熱指数, I = Σ_i=1¹²(T_i/5)^1.514  (T_i: 月平均気温)
a = (0.675I³ - 77.1I² + 17920I + 492390) × 10^-6  (a: 実験経験式)

T (華氏, °F): -32は0°Cを基準とするため(凍らない温度)

平均年生物温度 (MABT)

Cf. 不快指数 discomfort index, F

F = 0.81T + 0.01U(0.99T – 14.3) + 46.3

F____= 75______= 80______≥ 80_________≥ 85
感覚 半数が不快 全員が不快 暑くて汗が出る 暑くてたまらない

(気象庁が付けた通称)

Cf. 暑さ指数

気温 + 湿度 + 日射・輻射熱

雨量

P_Tmax: 最暖月降水量
PET: 可能蒸発散量 (per evaporation)

ラング(Rang)の雨量因子(指数)

0-20  20-40  40-60  60-100  100-160  > 160
砂漠 ステップ  草原   低木林   高木林  ツンドラ

ド・マルトンヌ(de Martonne)の乾燥指数

0-5 砂漠. 10-20 草原. 20-30 疎林(Ex. サバンナ). > 30 極盛林

乾燥度指数 (aridity index, A)

ソーンスウェイトの降水効果指数 precipitation effectiveness

     多雨林   森林     草地  ステップ  砂漠
E_p  ≥ 128  127-64  63-32  31-16    ≤ 16

(Thornthwaite 1948)

年最大可能蒸発散に対する年降雨量と年最大可能蒸発散量の差

 > 100  100~20   20~0   -0~-33  -33~-67  -67~-100
過湿潤    湿潤    亜湿潤  亜乾燥    乾燥      過乾燥

更に実際には地下水や積雪等の過剰水分の影響も考慮

気候ダイアグラム

→ 各月データプロット
α ≥ 90° 日本海式気候 ↔ α < 90° 太平洋式気候

気候係数 climate coefficient

応用: 農業､環境評価、都市計画
気候を反映した気候以外のデータを組み込む係数もある
Ex. 温暖湿潤係数、ケッペンの気候区分、熱指数、風寒指数、シダ係数

ケッペンの気候区分 (Köppen climate classification)

他の変量(風、異常温度、雲量等)は無視

1) ケッペン乾燥度指数 (乾燥限界値), K

Ex. 降水: 高気温期 = 蒸発 ↔ 低気温期 = 少雨で土壌保湿可

        夏多雨地域, w    年中多雨地域, f    冬多雨地域, s
K =    20 × (T + 14)       20 × (T + 7)             20 × T

P < K/2 → BW 砂漠気候     K/2 < P < K → BS ステップ気候

2) 気温条件

Tmax ≡ 最暖月平均気温, Tmin ≡ 最寒月平均気温

熱帯雨林気候, f: Pmin ≥ 60 mm
サバナ気候, w: Pmin < 100 - 0.04 × P
熱帯モンスーン気候, m: Pmin = Af-Aw中間

Cfa 温暖湿潤気候: Tmax ≥ 22°C (米育つ)
Cfb, Cfc 西岸海洋性気候: Tmax < 22°C

+ [夏雨 → Pmax/Pmin < 10, 冬雨 → Pmax/Pmin < 3]
Σ_i=1¹²(Ti ≥ 10°C) ≥ → Cfc

Cw 温暖冬季少雨気候: Pmax/Pmin > 10
Cs 地中海性気候: Pmax/Pmin > 3 [Cf. 亜熱帯 subtropical zone]

Df 亜寒帯湿潤気候(冷帯湿潤気候): 夏雨 → Pmax/Pmin < 10, 冬雨 → Pmax/Pmin < 3
Dw 亜寒帯冬季少雨気候(冷帯冬季少雨気候): 夏降水量あるが冬降水量(積雪)極少

ET ツンドラ気候: 0°C → Tmax < 10°C (夏だけコケ・地衣類生育可)
EF 氷雪気候: Tmax < 0°C (植物生育不可)

中緯度地域 標高 > 2000 m、低緯度地域 > 3000m

乾燥 ←  


砂漠 (Dd)



過乾燥   

                  
氷雪
  ツンドラ (Dd)
  ステップ (Hs)

--------------
トゲ低木林
乾燥            

                 


落葉針葉樹林
サバンナ (Ht)


半乾燥        

                       


常緑針葉樹林 (Lc)
暖帯落葉樹林 (Ls)

亜熱帯雨緑林
半湿潤              

                       



照葉樹林 (Ll)
硬葉樹林 (L*)
亜熱帯多雨林 (Lt')
湿潤                 

→ 湿潤     
    0 極帯
  15 寒帯
  45 冷温帯
  85 暖温帯
180
240 亜熱帯
               

湿性モンスーン林 ↔ 熱帯湿性落葉樹林
乾性モンスーン林 ↔ 熱帯乾性落葉樹林

海岸荒原: 植物疎生。塩生植物。コウボウムギ、アッケシソウ

別分類

☛ 砂漠

砂漠形成 desert formation

Ex. サハラ砂漠、アラビア砂漠、グレートサンディー砂漠

Ex. 北アメリカ砂漠(一部)、アタカマ砂漠、ナミブ砂漠

Ex. ゴビ砂漠、オーストラリア砂漠、タクラマカン砂漠

Ex. タクラマカン砂漠、パタゴニア

700 mm - 蒸発
1100 mm - 河川流入
降水 > 蒸発 ⇒ 水収支バランス低

気候区分

植生的にこの気候加えるのは見解の差程度

中間温帯(中間帯): 冷温帯と暖温帯の間に設けることがある

モミ、ツガ、シデ、クリ等

Ex. 成層圏滞留エアロゾル → 日射散乱され気温低下(冷蔵庫効果)

海洋の影響とエル・ニーニョ

気圧: 南太平洋東部 = 高(低) ⇔ インドネシア付近 = 低(高)
エルニーニョ南方振動 El Nino Southern Oscillation , ENSO

Def. (海洋学): 南米ペルーやエクアドル沖合1000 km桁の広がり(= 太平洋東部熱帯区域, 4°N-4°S, 90-150°W)での海面水温異常高温化現象 → 数年に1度、半年-1年半続く
赤道海域上昇気流活発化 → 地球規模の大気変動 → 世界的異常気象
→ 影響不明の点多(北東貿易風が何らかの原因で弱まり、西太平洋の暖水が東部に移動)

暖水を運ぶ北東貿易風が強くなると発生 ⇔ エルニーニョ

≈ エルニーニョ・ラニーニャ
→ 降水量: インド洋西岸(Ex. ケニア)増加、インドネシア周辺減少
原因: スマトラ島沖東インド洋で南東貿易風強まり、暖水が西インド洋に押しやられ、西インド洋では深層にある冷水上昇せず海面温度上昇 → 東インド洋では、深層冷水が上昇し海面温度下降
山形俊男グループ(1999, 東大)発見 → エルニーニョと並び日本の異常猛暑の原因等で注目

通常の雨や雪: 大気中CO₂との平衡関係 ≈ pH5.6

降水中主要無機成分
陰イオン = SO₄^2-, NO₃^-, Cl^-    陽イオン = H⁺, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺
+ 海水由来塩類も含む

他に、カナダ東部、ヨーロッパ諸国で観測
合州国湖沼 = pH↓ → 魚類孵化不可能 = 死滅
ヨーロッパ土壌: アルカリ土中和 → 土壌栄養分流出

→ 森林衰退(戦前比で生産力7-18%低下)・農作物収量低下

工業地帯周辺で特にpH低 - 目や皮膚の痛み・数種農作物の可視傷害
農耕地: 化学肥料で土壌調節 → 影響不明瞭
森林: 酸性雨影響累積的 → 継続調査必要

関東地域: 年最低pH = 3.4-4.1 (最低pH3.0)

融雪期には河川や湖水のpHがしばしば低下

国際森林年

[背景] 砂漠拡大、熱帯林減少及び酸性雨被害による森林資源枯渇や環境悪化が懸念される
世界各国: 森林造成・保全啓蒙事業実施。日本(+国都道府県): 趣旨に沿う各種記念事業

植物そして環境破壊 (北大祭 '87)

(1) 森林の急性被害と慢性被害 (2) 酸性雨による土壌の悪化 (3) 酸性雨と樹木の成長

有害化学物質生態系蓄積 → 自然環境破壊 → 環境汚染/健康影響

SO₂^-3、NO₃^-、酸性エアロゾル等生成 → 雲粒・雨滴が取込む → 酸性雨

Ex. 欧州: 他国の硫酸化合物影響 ≈ 90%

SO₂: 1967 = 0.059 ppm (年平均, ピーク) → 1983 = 0.012 ppm
NO₂: 同期間 0.02-0.03 ppm (年平均)で推移

SO₄^2--S: 1.11, NO₃^--N: 0.64g/m²/yr ≤ 西ドイツ

≤ SO₄^2-降下量が米国最大値であるニューヨーク州や五大湖東部
≈ 森林・湖沼被害あるスウェーデン南部、カナダのオンタリオ州南部

表. 土壌酸性化(pH6以下)による土壌生態系変化に関する知見

窒素固定
   マメ科共生: 阻害される
   非マメ科共生: やや減少
   非共生: 敏感種(+ 抵抗性種)
菌根菌: 変化少ないが種類変化
ミミズ活動: 激減
土壌小動物: 種類減、優占種変化

項目: 変化
微生物種類: 細菌減、糸状菌優占
有機物分解: 激減
土壌呼吸: 激減
酸素活性: 激減
養分無機化: 激減
硝酸化成作用: 激減 脱窒: 遅れる

⇔ 糸状菌はpH領域広い → 土壌酸性化: 糸状菌相対的に優占傾向

土壌pH4.6 → 4.1↓ → 細菌数半減、糸状菌菌糸量若干増加
活性菌糸減少
針葉樹葉埋設: 2年間の分解量測定 - 酸性雨処理区の分解が減る

土壌pH5.5 → 3.9-4.7↓ ⇒ 土壌微生物測定
汚染土壌-非汚染土壌比較: 糸状菌差ない + 細菌数汚染土壌↓
汚染土壌は硫黄・硫酸含量ともに高まり、pH低下し、硫黄酸化細菌と糸状菌が非常に増えた
汚染: 樹木から5 m離れた土壌 < 樹木直下土壌 →

植被効果: SO₂等の乾性降下物が樹木直下の土壌により多く負荷
硫黄は土壌に入ってから微生物の働きで硫酸に酸化される

土壌呼吸↓ グルコース分解速度↓ 有機物分解酵素活性↓
フラクトース分解性↓ 尿素分解活性↓
アンモニア(肥料)は土壌硝化菌により硝酸化 - pHd低下により著しく低下

細菌数 = 減 → ヒメミミズ(細菌捕食者) = 3年間で90％減少
昆虫: 糸状菌捕食者とみなされる特定種が増加
ダニ = 全体として大きな変化ないが、特定種減少
落葉層薄い土壌ほど人工酸性雨によるpH低下大 → 小動物種変化大

全般的に生物活動が低下すると考えられる

⇒ 湖水pH ∝ 硫酸イオン濃度分布 = 硫黄降水量多い地域の湖水pH低

湖水 pH 1.5↓ = 10%、pH 1.0↓ = 18%、pH 0.5↓ = 34%

Ex. 藻類種数↓(緑藻類↓↓)  フィラメント状藻類・苔類↑

植物プランクトン↓ ⇒ 動物プランクトン↓(ミジンコ↓↓)

Ex. クロロフィル単位当り炭酸同化量↓
Ex. 底生無脊椎動物消滅: freshwater shrimp ≤ pH6、snails ≤ pH5.2、small mussels, freshwater louse ≤ pH5.0 ∴ 魚も消滅

SO₂ ≤ 0.03ppm → 森林被害検出できない ⇒ 閾値(直接作用)

煙突高くしSO₂希釈排出 → SO₂ ≤ 0.03ppmの地域まで被害広がる

∴ 森林被害はSO₂濃度だけではなく汚染期間も関係(累積的影響)

酸性降下物の土壌影響等の様に、長期間の累積的影響が重要

高濃度汚染による急性被害 + 低濃度汚染による長期的慢性被害

慢性被害は主に酸性化による土壌悪化による

中央ヨーロッパ森林土壌: 酸負荷量 = 3.5-7keq/ha/yr
粘土含量5-10％の土壌 → 深さ50cmの土壌中にある交換性Caは50年間で全て溶脱と計算される

→ 硫酸塩肥料等を連年施用 → 土壌中交換性Ca減少、土壌pH低下、土壌溶液中へのAlイオン溶解量増大、その結果としてAlイオンの植物毒性による牧草の生育阻害が生じる
この研究データを用いて、日本における土壌の悪化が何年くらいで起るか、その計算を試みた。

過剰Alイオン → 植物生育阻害 ⇒ pH5 = 土壌悪化指標

この時期までの硫黄累積負荷量 = 100 kg S/10 a (推定)
if 酸性雨による硫黄負荷量 = 2 kg S/10 a/yr → 約50年で土壌悪化発生

表. 日本土壌の酸性雨耐性区分
1 最強 = グライ土、塩基性由来暗赤色土、沖縄の暗赤色土
2 強 = 灰色低地土、褐色低地土、黒ぼく土、その他の暗赤色土
3 中 = 淡色黒ぼく土、褐色森林土
4 中-弱 = 酸性褐色森林土、準黒ぼく土、ポドゾル、泥炭土(水田)
5 弱 = 火山放出物未熟土、泥炭土、赤黄色未熟土、赤黄色土
6 最弱 = 砂丘未熟土、岩屑土、高山岩屑土

1950年以降: 森林成長低下 - 酸性雨の疑い (直接的証拠なし)

森林への影響は、湖水の様に明瞭には識別できない

土壌酸性化 → pH低下、栄養欠乏、有害物溶出 → 植物生育停滞・衰退

細根発達阻害 + 土壌中Ca消失 + Alイオン溶出(= 土壌酸性化)

針葉樹 = 葉黄化、落葉、生育停滞、梢葉枯死
広葉樹 = 葉変色・変形、初期落葉、梢葉枯死、樹皮損傷
被害: モミ > マツ > トウヒ > ブナ > ナラ

健全樹木: 根皮層細胞壁Ca高含有 ↔ 被害樹木: 低Ca

細根のCa欠乏は水吸収阻害 → 旱魃害受けやすい

スギ枯れ: 梢端枯死が特徴 - 東京周辺でよく見かける
京浜、京葉工業地帯: 健全なスギ認めらない → 距離 ∝^-1 衰退程度

高崎市・前橋市(東京から100 km)過ぎるとスギ衰退急速に減少
その後にスギ衰退は広がり群馬県でも見られる - 酸性雨の可能性

酸性雨実験 -学祭展示-

原因物質(大気中亜硫酸ガス(SO₂、二酸化窒素(NO₂)濃度測定
雨水を採集しpH測定

植物直接被害 Ex. ネギ・キュウリ上部褐変、アサガオ・ツツジ花弁脱色、アカウキクサ成長阻害
生物以外の被害: 大理石建築物、彫刻、銅像等の侵食や腐食
これらの酸性雨被害を広域で調査し、酸性雨被害分布を知る

Ex. 葉花にpH異なる溶液を霧吹きでかけ、可視傷害発生状況を観察
Ex. NO₂やSO₂を発生させ吹き掛け、可視傷害発生状況を観察
Ex. pH異なる溶液用いた発芽実験行い、発芽率や成長速度を測定
Ex. 水生植物をpHの異なる溶液中で栽培し、生育・増殖率測定
Ex. 水生甲殻類、魚類の孵化・生存・成長率等をpH異なる溶液で測定

※ ガラスは、Na⁺, K⁺, PO₄^3-等のイオンが溶出したり、壁にH⁺が吸着しpHが変化するため使用しない方がよい
大気中NO₂, SO₂濃度測定は、試薬・装置準備できず実施せず
NO₂含む窒素酸化物は車の排気ガス中に含まれ、街中と郊外の道路沿、街中でも北大原始林等で濃度を比較してみるのも面白かったろう

ab実験とも、酸性化土壌が植物種子に与える影響を想定
(a) 葉にpH 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 蒸留水、水道水、5/27日降雨を直接散布し、酸性雨の外部からのATTACKにより植物組織が受ける影響を観察。茎を切り上述の溶液に漬け、酸性雨の内部からのATTACKにより植物組織が受ける影響を観察。前実験は、降雨等により植物が受ける影響を、後実験は、酸性化した土壌が植物に与える影響を想定した
(b) ダイズ種子をpH 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 蒸留水、水道水につけ、発芽率を調べる実験と、発芽させ、左記の溶液に漬け、成長変化を観察する実験

海水

物理的特性

温度関与 Ex. 33‰ = -3.7°C, 36‰ = -4.2°Cで比重最大

深層水

陸水や大気からの化学物資による汚染にさらされることが少ないうえ、低温安定性、富栄養性、清浄性等の多特性を持ち、水産・農業分野をはじめ、食品、医薬品、美容等、多分野での活用研究中
深層水生成海域は北大西洋グリーンランド近海と南極大陸周辺のみ

→ 地球温暖化で深層水生成に支障発生予測

海洋循環

ラニーニャ → 循環強 ↔ エルニーニョ → 循環弱

海面近く: 日射による高温海水溜まる → その下で急激に水温低下 → さらに低温の海水に連なる

Ex (図). 赤道太平洋東部(海面水温低) = 温度躍層深さ数10 m ↔ 赤道太平洋西部(高)= 150-200 m
→ 西向きに吹く貿易風に暖水が吹き寄せられ西太平洋に溜まる + 赤道湧昇が東部太平洋より弱い