泥炭地内に貯蔵されている炭素の量を計算するために、研究者たちは世界中で適用できる「湿原物理学」の統一理論を開発しました。
エストニアにある 3,000 年前のヴィル湿原の航空写真は、泥炭湿原の典型的な特徴を示しています。それは、かつての湖を覆い、樹木や低木を支えるのに十分な強度を持つ、ずぶぬれに濡れた泥炭土のドームです。
ヤーヌス・ヤゴマジ
はじめに
泥炭湿地を訪れると、地球の表面について知っていることすべてを再考させられるでしょう。湿原とは一種の土地ですが、あなたが慣れ親しんでいる固い地面の意味ではありません。地表を歩いてみると、泥炭として知られる柔らかい有機泥が自分の下でうねっているのを感じるかもしれません。あるいは、自分自身が泥炭の中に沈んでしまうかもしれません。表面から見ると、浸水した泥炭が深さ 3 フィートまで広がっているのか、それとも 30 フィートまで広がっているのかを知るのは困難です。
これらの奇妙で湿った場所は歴史的に非難されており、人々がその土地に建物を建てたり、耕作したりするために多くが排水されてきました。しかし、気候変動の時代において、泥炭地は新たな名声を得ています。泥炭地は、炭素を貯蔵し、大気中に排出しないようにする自然界の最も効果的な方法の 1 つです。確実にそこに留まるように、科学者たちは長い間、泥炭と炭素がどれだけ蓄えられているかを計算する方法を模索してきました。
最近の研究でその答えが得られるかもしれません。昨年末自然で 、科学者らは、単純な一連の測定値を使用して地球上のあらゆる泥炭湿地の形状を計算できるという数学的モデルを報告しました。このモデルが宣伝どおりに機能すれば、湿原内の炭素を簡単に集計できる可能性があります。これは、特定の湿原が気候変動の削減にどのように貢献しているかを判断する上で重要なステップです。
この研究には関与していないシンガポールの南洋理工大学の生態学者ショーン・ラム氏は、この論文を「特殊相対性理論に相当する泥炭地」と呼び、この論文を画期的なものだと歓迎した。
ラムの賞賛は明らかです。何十年もの間、生物学者はEの型にある方程式を切望してきました。 =マック 2 またはニュートンの重力の法則 - 知識の領域を統合し、私たちの世界を支配する隠された秩序についての深い洞察を提供する、単純で包括的な数学的規則。このような包括的な法則は長い間物理学の進歩を推進してきましたが、生命科学におけるそれに相当するものはとらえどころがありません。今、明らかに、世界の沼地の間にある程度の団結が見出されています。
泥炭湿地は、一般法則が成り立つような秩序ある場所とは思えません。雨水のみによって養われるこのような栄養に乏しい生態系は、酸素が不足し、死んだ組織を消化する可能性のある微生物が住みにくい湿った環境に枯れた植物が閉じ込められることで形成されます。枯れた植物は数百年、数千年かけて積み重なり、広く緩やかに傾斜したドームを形成し、周囲の土地から数十フィートの高さまで盛り上がることもあります。
メリル・シャーマン/クアンタ・マガジン;
出典:アイルランド泥炭地保護評議会
泥炭湿地は世界中で見られます。カナダやロシアのような寒くて高緯度の地域では、ミズゴケで覆われていることがよくあります。暖かい熱帯地方では、高さ 60 メートルにも達する木々が生い茂る湿地帯の森になる傾向があります。全体として、湿原やその他の泥炭地は地球の陸地の約 3% を占めています。それでも、彼らは地球上のすべての木の2倍の炭素をなんとか運び出すことに成功しています。この炭素が放出されると、大気中の二酸化炭素は 2 倍になり、人間や他の多くの種に悲惨な結果をもたらす可能性があります。
多くの科学者は、泥炭湿原を保護し、以前に排水された泥炭地を回復することが、気候変動を遅らせるための簡単かつ強力な方法である可能性があると主張しています。しかし、問題があります。泥炭の排出は多くの場合、非常に有益です。すでに知られている泥炭地の約15％が、主に農地を造成するために破壊されている。出血を止めるために、擁護者らは、手つかずの泥炭地を保存するために各国にお金を払うことを提案している。しかし、気候変動を助けるためにそのような支払いを確実に行うには、科学者は貯留された炭素を正確に定量化する方法を必要としています。
この必要性から、マサチューセッツ工科大学の土木・環境工学教授チャールズ・ハーベイは、泥炭湿原の形状とそこに保持されている炭素の量を予測できる方程式を探し求めた。ハーベイ氏によると、これまでの研究グループは湿原を数学的にモデル化しようと試みたが、そのモデルは非現実的なほど単純になる傾向があったという。
マサチューセッツ工科大学のチャールズ・ハーベイと彼のチームは、湿原の数学を開発するためにブルネイのメンダラム泥炭ドームを熱心に研究しました。 「この完全に侵入不可能で、恐ろしく、通り抜けが困難で、複雑な森があり、それが単純な方程式で説明できるなんて、まったく正気の沙汰ではありません」と彼は言いました。
チャールズ・ハーベイ氏の厚意
彼のチームは、ブルネイの熱帯メンダラム泥炭ドームの調査に 15 年以上を費やしました。研究者らがこの湿原を選んだのは、この地域のほとんどの湿地とは異なり、「本当に自然のままである」ためだとハーベイ氏は語った。 「私たちが知る限り、他の人間はそこに入ったことはありません。」
測定するのは大変でした。泥炭の深さは数メートルにもなり、移動するのが困難です。 「泥炭林の中を動き回るのは本当に大変です」とハーベイさんは言う。 「しっかりした地面はありません。泥炭には大きな隙間があるので、丸太や木の根などの上でバランスが取れていないと、地面を突き破ってしまうだけです」と、腰までの深さ、あるいはもっとひどい場合には泥沼にはまってしまう可能性があります。
混沌とした風景の中に秩序を見出すために、研究者らは地下水面（地面が水で飽和する高さ）に焦点を当てた。彼らは、どんな植物が生えていても、泥炭にどれだけの瓦礫が積もっていても、地下水面はほぼ常に湿原の表面近くにあることに気づきました。おそらく雨が水を補充するよりも早く水が流出したため、地下水面が低下すると、泥炭の一部が空気にさらされ、沼地の表面が新しいレベルまで沈むまで分解されました。大雨の期間のように地下水面が上昇すると、泥炭は追いつくまで蓄積しました。
沼地の形状は基本的に地下水面の物理学によって支配されているようでした。研究者らは、19 世紀の数学者シメオン ドニ ポワソンにちなんで名付けられた広く使用されている方程式を解くことで、沼の形状を数学的にモデル化できることを発見しました。この方程式により、境界の形状だけを考慮して沼の深さを近似できるようになりました。
次に、単一の線、つまりトランセクトに沿って取得した泥炭ドームの高さの測定値を使用して、湿原の特定の特性に合わせてモデルを調整しました。この補正を彼らは湿原関数と呼びました。メンダラム湿原の場合、彼らはライダーを使用してこれらの測定を行いました。ライダーは、レーザー光が飛行機または衛星から地表まで到達し、検出器に戻るまでにかかる時間を測定するレーダーのような技術です。
過去の研究では湿原の形状についてより単純なモデルが提案されていましたが、降雨量や泥炭からの水の流れの力学などの環境変数を説明できなかったとハーベイ氏は言いました。
Charles Harvey の PeatFlux チーム (写真は一部のメンバー) がメンダラム湿原の完全な地図を作成するのに 15 年かかりました。泥炭質の地面は地下水面で飽和しているため、作業は大変で汚かったです。
チャールズ・ハーベイ氏の厚意
研究者らは、このモデルがブルネイの熱帯泥炭ドームの形状を予測できることを知っていました。しかし、それは他の沼地にも当てはまるでしょうか？それをテストするために、彼らは、LIDAR トランセクトがすでに取得されている北方および温帯地域にある他の 7 つの湿原の形状を予測しようとしました。モデルはメンダラム湿原の場合よりもさらに優れたパフォーマンスを示し、実際の測定値と比較した誤差は 6% 未満でした。それは科学者たちを驚かせました。
「この完全に侵入不可能で、恐ろしく、通り抜けが困難で、複雑な森があり、それが単純な方程式で説明できるなんて、まったく正気の沙汰ではありません」とハーベイ氏は語った。 「これが同じように機能するとは思いませんでした。」
南洋理工大学の生態学者、ラム氏もこれに同意した。 「私が美しく、驚くべきと感じたのは、泥炭湿原に生育する植生に関係なく、泥炭ドームの堆積と蓄積が予測可能であるということです。」
と彼は言いました。
出典:ESRI;グリッド・アーレンダル (リーヴァイ・ウェスターフェルト)
泥炭沼のモデリングには少し時間がかかっています。いくつかのグループがこれらの生態系を数学的に記述するために取り組んでいます。その中には、数十年または数百年にわたる泥炭の蓄積と数日または数週間にわたる地下水面の動態をシミュレーションする DigiBog と呼ばれるリーズ大学の取り組みも含まれます。
「泥炭は、現在応用数学とソフトマター物理学の最前線にある概念にテスト可能なコンテキストを提供します」とノッティンガム大学の地質学者、デビッド ラージ氏は述べています。
地球システムダイナミクスで査読中のプレプリントに掲載 , Largeらは、水文学だけでなく、泥炭の変形の容易さなど、材料としての泥炭の機械的特性も捕捉しようとする3番目の湿原モデルを報告した。このような性質によって、沼地が干ばつやその他の有害な出来事からどれだけ容易に回復できるかが決まるとラージ氏は述べています。
ラージ博士はハーベイの研究を、特に大きな湿原の体積を推定する点で「優れた論文」と呼んだ。しかし同氏は、これは沼地の下にある土地の地形を無視しているため、英国の多くの地域のように複雑な地形を持つ地域では問題になる可能性があると指摘した。 「彼らができることには間違いなく限界があります」とラージ氏は言いました。
ハーベイ氏は、基礎となる地形は湿原の最終的な形状にほとんど影響を与えないと言う。彼のチームは現在、そのモデルを中央アフリカとアマゾンの広大でほとんど研究されていない泥炭地に適用している。これらの泥炭地は炭素が多量に含まれているため、「気候爆弾」の可能性があると言われている。環境保護活動家は、支払いによってこれらの地域の国々が泥炭を保護するよう説得できることを期待している。ハーベイ氏は、彼のチームのモデルは、特定の沼地が排水されたり水路が作られたりした場合にどれだけの炭素が失われるかを正確に定量化するのに役立つと述べています。
泥炭モデルが相対性理論などの物理理論と同様に広く受け入れられるかどうかは、まだ分からない。しかし、たとえそうでなかったとしても、その実用化は奥深いものとなる可能性がある、とラム氏は語った。 「炭素ストック、グリーンファイナンス、カーボンオフセットの実行、戦略の計画…これらはすべて、この作業によって可能になり、はるかに簡単になりました。」
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