RESULT2021年7月号　Vol. 32 No. 4（通巻368号）

最近の研究成果春先の北極オゾン大規模破壊は事前に予測できるのか？～成層圏準2年周期振動や太陽活動の11年周期といった長期変動に伴う北極オゾン量変化の解析～

山下陽介（地球システム領域地球大気化学研究室　特別研究員）

オゾン層^*1は太陽からの紫外線を吸収する役割を果たしていますが、1980年代以降、南極域でオゾンホール^*2と呼ばれるオゾン量が大きく低下した領域が現れ、人体への健康影響が懸念されるようになりました。極域でオゾン層の破壊が進むのは、極域の気温が低くなって極成層圏雲（Polar Stratospheric Cloud: PSC）^*3が発生し、リザーバーと呼ばれる比較的安定な塩素・臭素化合物が、PSCの表面でオゾン破壊を引き起こす活性な物質に変換される反応が起こるためです。

*1成層圏の高度約15～30 kmで、大気中にオゾンが多く含まれる場所を指しています。オゾン層は、太陽からの紫外線を吸収して地球上の生命を保護しています。
*2オゾン層を形成する成層圏オゾン量が大きく低下し、オゾン層が薄くなって穴が開いたように見える領域を指します。世界気象機関（World Meteorological Organization：WMO）では、オゾン全量が220ドブソン単位（DU）以下の領域がオゾンホールと定義されています。DUはオゾンの研究に貢献したイギリスのゴードン・ドブソンに由来し、地上から大気上端までのオゾンを全て地上付近に集めた場合にどれくらいの高さになるかを表す単位で、1 mmが100 DUと定義されています。DUではなくm atm-cmと表記されることもあります。
*3養殖真珠の母貝となるアコヤガイの内側のように虹色に輝く雲で、真珠母雲（しんじゅぼうん）とも呼ばれます。PSCは極域上空20～30 kmの高度に存在し、気温がマイナス80℃くらいまで低下した際にガス状の水蒸気、硫酸、硝酸などが粒子化して形成されます。PSCには、硝酸3水和物、過冷却の3成分液滴（硫酸・硝酸・水）、氷晶など複数の種類があります。

北極域では惑星スケールの波活動^*4が南極域より活発であるため、成層圏の平均気温が南極域より高く、PSCが発生するほど低温となる期間は南極域より短くなります。このため、北極域では大規模オゾン破壊は通常起きませんが、波活動は年によって変わり、不活発な年には極域成層圏でPSCが発生するほどの低温が継続することがあります。

近年では、モントリオール議定書^*5に始まる国際的なオゾン破壊物質の生産・排出規制が成功し、オゾン層は長期的には回復の兆しが見えています。しかし、2010～2011年や2019～2020年の冬季には北極域の低温が長く継続し、春先に南極のオゾン破壊量に匹敵するような大規模オゾン破壊が起きました。なお、オゾン破壊量は南極に匹敵するものの、北極のオゾン量はもともと南極より100DU程度大きいため、南極オゾンホールほどの低オゾン域にはなりません。

*5正式名称はオゾン層を破壊する物質に関するモントリオール議定書（Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer）で、1987年9月16日に採択されました。オゾン層を破壊する物質の生産と消費を規制する条約で、1990年のロンドン改正、1992年のコペンハーゲン改正など複数回の改正を経て、規制対象物質の追加や削減スケジュールの前倒し等が行われました。条約では、オゾン層を破壊する特定フロン（塩素・フッ素・炭素の化合物であるCFCと水素を含むHCFC）やハロン（フロンの塩素の代わりに臭素を含む化合物）等が規制の対象とされています。2019年1月1日に発効したキガリ改正では、オゾン層を破壊しない代替フロンHFCも地球温暖化への影響があることから規制対象物質に追加されました。

しかしながら、このようにオゾン層が回復していく中で、北極域では春先のオゾン層が脆弱になる年があるため、大規模オゾン破壊の要因を明らかにし事前予測につなげることは、現在でも重要な課題と考えられます。

気温や極渦^*6強度は、惑星スケールの波活動による数日程度の時間スケールで変動しますが、この変動そのものの事前予測は技術的にほぼ不可能です。一方、ひと冬を通した平均的な変化傾向は、成層圏準２年周期振動（quasi-biennial oscillation: QBO）^*7や太陽活動の11年周期といった、ひと冬よりもゆっくりとした現象を指標として調べることができます。

*6冬季の成層圏で見られる、極域の低温と極周辺の強い西風で特徴付けられる低気圧です。平均的な極渦は秋季から冬季にかけて強くなり、冬季から春季にかけて弱くなる時間変化をしています。対流圏では惑星スケールの波活動があり、対流圏から成層圏に伝播してきて極渦を不安定にすることにより、極域の気温が数日の間に数10度も上がる突然昇温現象を引き起こすことが知られています。大規模な突然昇温現象は、発生する年としない年があり、両者で極渦の時間変化が大きく異なります。
*7赤道成層圏に存在する、西風と東風の風系が交互に現れて下降し、その一巡する周期がおおよそ2年程度の卓越した現象です。QBOは、赤道周辺の風や気温、物質分布に影響を与えており、また高緯度域の極渦強度や成層圏突然昇温の発生頻度にも影響しています。なお、QBOに伴う赤道域の風系が西風の場合を西風相、東風の場合を東風相と呼んでいます。

QBOの西風相と東風相で成層圏の波活動が変わり、太陽活動の極小期と極大期で紫外線量や上部成層圏の気温が変わることが知られています。これらQBOと太陽活動の指標を用いて4種類の年に分類し、春先の大規模オゾン破壊の要因を調べました。衛星観測を用いて春先のオゾン全量を比較すると、QBOが西風相、太陽活動が極小期の場合に最もオゾン全量が少なくなります（図）。先にあげた2010～2011年や2019～2020年の冬季も、このケースに該当します。

図　QBOに伴う赤道域50 hPaの高度の東西風速（m/s）を横軸に、太陽活動の11年周期の指標を縦軸に取り、TOMS/OMIの衛星観測で得られた3月のオゾン全量（DU)を黒丸内の色で示したもの。QBOが西風相、太陽活動が極小期のケースでは、他の３ケースと比べて相対的にオゾン量が少ない年が多いことがわかる。QBOが西風相または東風相の基準を満たし、太陽活動が極小期または極大期の基準を満たす場合を白、QBOか太陽活動のどちらかが基準を満たさない場合を灰色で表示。Figure 2(a)を元に作成。

当該条件の下でのオゾン変化要因を、大気中のオゾン輸送とオゾンの化学反応を扱うことのできる化学気候モデル（chemistry climate model: CCM）^*8のシミュレーション結果から分析しました。

*8大気の運動や放射などを表現する数値気候モデルに大気中のオゾンなどの化学反応計算を加えた数値モデルです。大気の運動によるオゾン輸送や、大気中の化学反応によるオゾン量の変化を計算することができます。観測された気象場でCCMの気象場を拘束し、過去の気象条件の下でシミュレーションを行うハインドキャスト実験を行うことで、モデルの再現性や初期値に依存するシミュレーションのばらつきの影響を受けることなく、過去の気象条件の下でオゾン輸送とオゾンの化学反応の影響を推定することができます。

大気中で化学反応を起こさないという仮想的な条件の下で風によるオゾンの輸送をモデルで計算し、化学反応が計算されているオゾンと比較することで、化学反応と輸送によるオゾン量の変化を区別できます。その結果、輸送による変化が化学反応による変化を大きく上回り、春先の3月における化学反応による変化は全体の1～2割程度であることがわかりました。

これらの事例のうち、大規模なオゾン破壊が起こった2010～2011年の事例を詳しく分析しました。この事例では、他の事例よりも冬季を通じて極渦が安定し極域の気温が低下していたため、化学反応による変化が全体の2～3割程度と大きな割合を占めていました。

必ずというほど明確ではなく、観測データの期間が短く事例数が少ないという問題はあるものの、QBOが西風相、太陽活動が極小期の際に主に大気中の輸送により春先のオゾン量が少ない傾向にあることがわかりました。将来的に事例数を増やすことができれば、QBOや太陽11年周期のような、ひと冬の変化よりもゆっくりとした現象を指標として春先の大規模オゾン破壊を冬に入る前に事前予測することにつながります。