【コラム】炎と氷:イオンクロマトグラフィーによる火山噴火の発見
2021/04/19
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答えの一部は、氷の奥深くに、発見されるのを待ちながら眠っています。
環境化学の研究を行うことで、私は地球上で最も辺境の地へと足を運んできました。博士課程の研究では、幸運にも南極から採取されたサンプルを扱う機会に恵まれ、グリーンランドで自らの研究を行い、その後博士研究員としての研究では南極でも研究を行いました。私たちは一体、何もない場所の真ん中まで行って何を探していたのでしょうか?
火山噴火は、かなり予測が困難です。溶岩流を伴うより活発で美しい火山の中には、カターニア(イタリア)のエトナ山、ハワイ(米国)の大きな島にあるキラウエア山、そして最近では、アイスランドのファグラダルスフィヤル山などがあります。小規模な噴火が起こると、人々はこの自然の驚異を目にするため世界中から旅してきます。しかしながら、すべての噴火が同じというわけではありません…
噴煙柱の高さや排出物の組成など、いくつかの要因に応じて、火山活動は地球全体の気候にかなり大きな影響を及ぼすことがあります。火山爆発指数(VEI)は、火山噴火の爆発力を測定し、0(噴出的)から8(超巨大)までに分類する対数尺度です。過去1世紀で最大級だったのは、1991年のフィリピン、ピナツボ山の噴火です(VEI 6、巨大)。噴煙柱は成層圏の高くまで達し、太陽光を散乱・吸収する二酸化硫黄(SO2)を含む、膨大な量のエアロゾルとガスを放出しました。これにより、噴火終了後ほぼ2年間にわたり、地球規模の冷却効果が観測されました。この期間中の雲一つない正午の写真には、平坦な白いもやがかった空が写っており、これは高高度の硫黄エアロゾルによる散乱効果を示すものです。
他の大規模な火山噴火は、飢饉の時代とともに、啓発の時代ももたらしてきました。1883年のクラカタウ(VEI 6、巨大)による幻想的な空模様が、エドヴァルド・ムンクに彼のよく知られた傑作『叫び』を描くきっかけを与えたと言われています。もし『フランケンシュタイン』をご存知であれば、それは1816年、タンボラ山の噴火(VEI 7、超巨大)がもたらした「夏のない年」の冬に、メアリー・シェリーがこの作品を執筆したおかげです。
地球の果てでの謎解き
この寒冷な時期は、複数の研究グループやさまざまな手法によって長年研究されてきました。実際、それに先立つ10年間も異常に寒冷であったことが判明していましたが、別の火山噴火の記録はすぐには明らかになりませんでした。最終的に、この謎、そして他の多くの謎を解く手がかりを握っていたのは、手つかずの氷でした。
火山噴火時に排出された二酸化硫黄は、大気中で硫酸エアロゾルへと酸化され、到達する高度に応じて、数日から数年にわたって滞留することがあります。南極やグリーンランドの極地氷床への火山性硫酸塩の堆積は、これらの地域における継続的な積雪の蓄積を通じて、噴火の記録を保存します。したがって、火山活動の記録は、硫酸塩の量を測定することにより、極地の氷床コア中に見出すことができます。硫酸塩をはじめとする、水系サンプル中の主要な陰イオン・陽イオン一式を、微量レベルであっても決定するための素晴らしい方法が、イオンクロマトグラフィー(IC)です。
もちろん、気体も雪片の間の空間に閉じ込められる形で測定することができ、これらは根雪となって圧密され、その後氷床に閉じ込められます。しかしながら、この場合の時間分解能はこのような火山測定には十分に精密ではなく、また気体の量も火山起源を正確に推定するには十分ではありません。
イオン分析用の氷床コアを掘削することは、決して単純な作業ではありません。その物流は驚くほど大掛かりです―フィールド用機器と適切な訓練を受けた要員の両方を氷床の中心まで運ぶには、高度な輸送ネットワークが必要であり、また大自然は独自のルールで動くため、厳密なスケジュールに従うこともできません。
医療施設が最低限のものしかない場合があるため、頭からつま先まで、完全な健康診断が必要です。これには、血液検査、心臓モニタリング、歯科用レントゲン全撮影などが含まれます(年齢や性別によって異なります)。負傷者や病人を適切な病院に搬送するには数日かかることもあるため、健康で最新の診療記録を持つことは、この種の遠隔地作業に備える上での一部です。
機器は数週間から数か月前に現地へ発送する必要があり、多くの場合、再組み立てされるまで自然の力に晒されたままになります。すべてがうまく機能することを願うばかりです。もしそうでない場合は、非常に臨機応変な対応が求められます。定期的な発送はなく、交換部品を入手することも困難だからです。
極地やその他の辺境地から採取された氷床コアは、過去の出来事を分析・再現するために何十年にもわたって使用されてきました。どこを掘削するか、どれだけの深さまで掘るかなど、多くの検討事項があります。地理的な場所は、人為的排出による汚染の回避をはじめとするいくつかの理由から極めて重要ですが、年間降雪蓄積率、火山への近さ、さらには(南極であればペンギンのコロニーのような)他の生物への近さという点でも重要です。
グリーンランドおよび南極で採取された氷床コアからの高分解能な硫酸塩記録は、これまで知られていなかった火山活動の発見につながってきました。デュアルチャンネルシステムを備えたイオンクロマトグラフィーにより、同一サンプルからの陽イオンと陰イオンの同時測定が可能になります。このような貴重なサンプルを少量で扱う場合、これは完全な記録保存の目的において非常に大きな利点となります。Metrohm Inline UltrafiltrationやInline Dilutionのような自動サンプル前処理を加えることで、堅牢かつ時間を節約できる分析方法により、人為的ミスも排除されます。
Metrohm Inline Sample Preparation(MISP)について詳しくはこちらをご覧ください。
過去20年間で、氷床コア分析から得られるデータの時間分解能は大幅に向上してきました。かつては、氷床コア中の大規模な火山活動を判定する測定手法として電気伝導度が主に用いられてきました。というのも、意外に思われるかもしれませんが、多くの噴火によるテフラの堆積物を(補助なしで)目視することは難しいためです。硫酸の電気伝導度は水よりも高いものの、電気伝導度は総和パラメータであり、サンプル中に正確にどのような成分が含まれているかは明らかになりません。
この分野でICが定着し始めた頃でさえ、サンプルサイズの制約により、研究者は月単位の変動ではなく年単位の概算しか決定することができませんでした。これは、より小さな硫酸塩ピークが見落とされていた可能性があることを意味します。研究者たちは、世界各地の氷床コアからの記録を照合することで、過去の火山の規模、起源、および気候への影響を推定しようと試みてきました。残念ながら、掘削地点が活火山活動に近い場所(アイスランドの風下に位置するグリーンランドがこれに該当します)にある場合、より小規模な噴火でさえも過大な影響を及ぼしているように見えることがあります。
より高度なサンプル前処理(すなわち、汚染のないサンプル融解のための連続フロー装置)によって現在可能になった、少量IC注入における時間分解能の向上により、他の明確な歴史的記録がない場合でも、火山噴火のより正確な年代測定が可能になります。
掘削地点における年間降雪量と掘削されたコアの深さによっては、ある特定の年のうち、火山噴火による硫酸塩の堆積がどの月に起こったかを決定することも可能です。
この情報は、他のデータ(例:堆積の長さ)と組み合わせることで、噴煙の循環を特定し、地球規模での影響を推定するのに役立ちます。これに加え、堆積した硫酸塩の同位体組成を測定することで、噴煙の高度(成層圏噴火を確認するためのより正確な方法)を決定するといった他のデータも得ることができますが、これは本記事の範囲を超えるものです。
イオンクロマトグラフィーを用いれば、現地においても、対象となる特定の火山活動が氷のどの深さに位置するかを正確に決定することが可能です。その後、同じ場所で複数の氷床コアを掘削することで、より詳細な分析を実施するためのより多くの氷の量を確保することができます。
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この特定の謎を解いたのは、両極地の氷床コアでICによって測定された同じ硫酸塩ピークを照合したことと、その噴火が成層圏性であることを確認したことの組み合わせであり、これにより、西暦1809年頃に熱帯地域で発生した、これまで記録されていなかった火山活動の発見につながりました。
寒冷期の延長を招いた2度目の噴火
実際、1815年の成層圏性タンボラ山噴火に先立ち、そのわずか数年前にも熱帯地域で気候に大きな影響を与える別の噴火が既に発生していました。この2つが重なったことが、過去500年間で最も寒冷な時期の一つをもたらしました。氷床コアのIC測定によって得られたデータは、この発見、そしてここ数年間の他の多くの発見において重要な役割を果たしました。
影響の大きいデータ
分析技術の向上に伴い、他の新たな火山活動も氷床コアの記録の中から発見されてきました。それらの噴火日についても、より正確に決定できるようになり、どの噴火が気候に影響を与えたか、あるいは与えなかったかを説明する助けとなっています。この情報は、気候モデルの精度向上に役立ちます。大規模な噴火によって生じる高高度の硫酸塩エアロゾルは太陽光を反射し、長期にわたる地球規模の冷却を引き起こすためです。この理由から、一部の研究グループは、成層圏噴火の効果を模倣するため、制御された量の硫黄ガスを大気の高層に注入するジオエンジニアリングの一形態を提案しています。
まとめ
イオンクロマトグラフィーを用いた環境研究のニッチな分野についてのこの簡単な概要が、皆さんの興味を引くきっかけとなっていれば幸いです!こうした職務が存在することを知ることが、他の若い科学者たちが同様のキャリアパスを追求する後押しになるかもしれません。化学教育は、必ずしも屋内でだけ行われるものではないのです!
