CSR 航空機による大気観測 - CONTRAILプロジェクト

私たちは、航空会社だからこそできる社会貢献とは何かを考え、1993年から「地球温暖化をもたらす大気変動のメカニズム」を解明するために、航空機による大気観測プロジェクトに協力してきました。ここでは、このプロジェクトについてご紹介します。

大気観測の目的とは?

航空機を利用して、従来の地上観測を中心とした手法ではとらえられない、温室効果ガスの広範囲にわたる3次元分布と濃度の変動を観測することで地球規模での炭素循環のメカニズムを解明することを目的としています。炭素循環の解明は、地球温暖化の将来予測をより高精度にするとともに、より具体的な温室効果ガスの排出削減目標を策定するために不可欠です。

なぜ、大気観測に航空機を活用するのか?

毎日、世界中を飛行している国際定期便航空機に上空の大気を観測する装置を搭載すれば、世界の広範囲で高頻度に観測データをとることができるからです。これまで上空の大気観測はチャーター航空機を用いて実施されてきましたが、経費の面から観測頻度や観測範囲は限られていました。

これまでの経緯

1984年より2年間、東北大学に協力し、成田―シドニー間と成田-アンカレッジ間で手動ポンプによる空気採取で上空の二酸化炭素濃度を観測しました。国際線の定期旅客便による上空での大気観測は世界で初めての試みでした。

1993年からは、気象庁気象研究所、日航財団(現在はJAL財団)、日本航空が協力し、当時の国際長距離路線の主力機であったボーイング747型機(通称、ジャンボジェット)に、自動大気採取装置を取り付けて大気観測を実施しました。この観測を開始する前には、航空機内の空調システムから採取した大気成分は外気と変わらないことなど数々の基礎的な実験・検証を行っています。これによりオーストラリアから日本へ向かう便で上空の大気を12地点で採取(サンプリング)し、それらを地上に持ち帰り、気象研究所において温室効果ガスなど(二酸化炭素、メタン、一酸化炭素)の濃度分析を行なってきました。

また、2005年からは、新しい観測機器による「新大気観測(CONTRAILプロジェクト)」が始まりました。

新大気観測とは?

それまでの観測機器は、限られた路線で「大気をフラスコ(サンプリングした大気を入れる金属容器)に詰めて持ち帰る」だけでしたが、それに加え、新たに機上で飛行中に連続して二酸化炭素(CO2)濃度を測る装置を航空機に取り付け、より広範囲・高頻度でCO2濃度を観測することが可能になりました。これらをボーイング747-400型機(2機・現在は退役済み)とボーイング777型機(現在は9機に改修済み。)に搭載し世界の空で観測を行なってきました。

現在の大気観測プロジェクトとは?

2005年以降は以下のような活動となっています。

名称 :

航空機による大気観測プロジェクト CONTRAIL
*CONTRAIL : Comprehensive Observation Network for TRace gases by AIrLiner

参加組織 :

国立研究開発法人国立環境研究所、気象庁気象研究所、株式会社ジャムコ、公益財団法人JAL財団、日本航空

観測機器 :

以下に示す2種類の観測機器を運用しており、いずれもこの目的のために開発・製造されました。この世界初の装置は上記5つの機関に加えて東北大学と宇宙航空研究開発機構(JAXA)が協力して開発を行いました。また、これらの装置を搭載する航空機も特別な機体改修を施す必要がありました。観測機器を搭載する航空機の安全確保のために、厳しい耐空性試験を受け、米国連邦航空局、および国土交通省航空局の搭載承認を受けています。

自動大気採取装置 (ASE: Automatic air Sampling Equipment)

上空のあらかじめプログラミングした12地点の大気(4lx12本)をサンプリングして地上に持ち帰り、国立環境研究所において、二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素、六フッ化硫黄、一酸化炭素、水素の濃度が分析されます。機器の作動や停止は自動で行なわれ、パイロットの操作は必要としません。1993年からはじめられた旧ASE観測を含めると、南北両半球の温室効果ガスの緯度分布について、長期間にわたり継続した観測として世界最長の記録です。

CO2濃度連続測定装置 (CME: Continuous CO2 Measuring Equipment)

航空機の上昇中、巡航中、降下中にニ酸化炭素濃度を連続して高精度で測定・記録します。観測機器の航空機への搭載開始から1〜2カ月間(通常 約60フライト)、すべてのフライトで濃度や場所などデータを蓄積し、地上へ持ち帰ります。機器の作動・停止は自動で行なわれ、パイロットの操作を必要としません。2005年の観測開始より、12,000以上のフライトから620万個以上のCO2濃度データを取得しています。

手動大気採取装置(MSE: Manual air Sampling Equipment)

自動大気採取装置(ASE)の代替手段として利用されます。
各路線に投入される運航機材の計画やタイミングなどの制約により、研究のためのデータを取得すべきフライトで自動観測が出来ない(自動観測装置が搭載されている航空機が運航されない)場合に、本プロジェクトに参加する研究者や社員が操縦室内に手動ポンプとフラスコ(空気を詰め込む金属製容器・12本)を持ち込み、操縦室内の天井部分にあるエアコンの吹き出し口からの空気を、上記ASEの場合と同様にあらかじめ計画した12か所で採取します。
採取される上空の大気は航空機のエンジンにより吸い込まれ、その一部が機内のエアコンシステムに導かれたもので、通常、与圧や機内温度の調整など、快適な機内環境を維持するために利用されています。
現在までの観測で、777型機の操縦室内において、この手動ポンプによる観測手順はマニュアル化され確立しており、羽田⇒パリ線、シドニー⇒成田線などで実績を重ね、自動観測と併せて継続した観測データの取得に役立っています。

操縦室内で手動ポンプを利用し、
大気を採取する研究者

手動ポンプ

フラスコ(ステンレス製):
1回のフライトで12本を使用

現在の観測機器搭載可能機

ボーイング777型機 10機 *1
自動大気採取装置 (ASE)とCO2濃度連続測定装置 (CME)の両方を搭載可能な航空機の機体番号
・JA705J・JA707J・JA709J・JA710J・JA711J
CO2濃度連続測定装置 (CME)のみを搭載可能な航空機の機体番号
・JA702J・JA703J・JA708J・JA733J(JET-KEI)・JA734J(国際線エコジェット・ネイチャー)

*1 JA733J、JA734Jは777-300ER型機、その他は777-200ER型機

観測範囲

自動大気採取装置 (ASE: Automatic air Sampling Equipment):

主にヨーロッパ路線、オーストラリア路線

※現在、ASEはひと月に2回、シドニー→成田線(この路線は地球を南北に縦断し、東西方向の地球規模の大気循環の帯を横切りながら緯度に沿ってサンプリングが行なえることから、科学的に非常に重要な路線です。)に計画的に搭載されています。

CO2濃度連続測定装置 (CME: Continuous CO2 Measuring Equipment)

チャ−ター便を含む、観測機器搭載機の飛行路線すべて(主に日本とヨーロッパ、アジア、オーストラリア、ハワイ、北米を結ぶ路線)

観測によって蓄積された「JALデータ」の活用
国立環境研究所 地球環境研究センター 大気・海洋モニタリング推進室 室長 町田敏暢さん

このプロジェクトのように温室効果ガスの濃度を地球規模で高頻度に測定し、そのデータを蓄積するプロジェクトは世界で初めての試みであり、観測データは地球温暖化やその仕組みを調べている世界中の研究者にとっては貴重なデータとして注目を集めています。

2005年から始まったCMEによる連続測定は、画期的な4つのメリットがあります。まず「毎日測ることができる」ということ。つまりデータを頻繁に取得できるということです。第2に「世界各地のCO2濃度を測ることができる」ということ。第3に、地表から上空まで高さの違いによるCO2の変化、つまり「鉛直分布が調べられる」ということ。

そして最後に「空間的に詳細な分布を取得することができる」ということです。特に3番目の「鉛直分布」が非常に大切で、CO2の研究にとってはとても価値がある情報です。ところが、世界中にまだ、このデータはほとんどありません。それらを調べることができるというのは、私たち研究者にとって画期的な出来事です。地球温暖化の原因は何種類もあるといわれていますが、その約半分はCO2の影響ですから、それを調べることが一番なことです。

CONTRAILのデータを地球規模の炭素循環や大気輸送の研究をしている研究者にさらに周知するため、プロジェクト開始から数年間にわたってデータ利用の委員会をつくり、定期的に成果報告会を開催しました。データ利用委員会の参加者からは10本以上の学術論文が生まれ、予想以上の成果を上げるとともに、国内の研究者にCONTRAILプロジェクトを強く認識してもらうことができました。2009年には「データ利用指針」を作成し、国内外の研究者に観測データの公開を開始しました。データ利用指針はCONTRAILホームページや公益財団法人JAL財団の大気観測ホームページからも入手できます。現在までに世界中の研究者からのべ80件以上のデータ利用を希望する申請があり、その成果は学術論文や学会発表の形で全世界に発信されています。

例えば、CONTRAILの観測結果と大気輸送モデルを組み合わせることによって、アジア域の二酸化炭素(CO2)放出量・吸収量の推定誤差を大きく減らすことができました。また、CO2は大気中で化学変化をしにくいとても安定した化合物です。この特徴に着目し、北半球から南半球への大気輸送(流れ)や、対流圏と成層圏の大気輸送とその季節性などが明らかになってきました。さらにCONTRAILは鉛直分布を測定できることから、GOSAT(いぶき)など人工衛星を利用した温室効果ガス観測の貴重な検証データとしても役立っています。

JALの大気観測や関連した観測によってわかってきたCO2の分布や変動について代表的な事柄を紹介します。

1.CO2濃度について季節変化や高度での違いがわかってきました。

このグラフは成田空港上空の各高度におけるCO2濃度の測定データです。 秋から冬にかけて濃度が高まり、春から夏にかけては下がっています。地上の植物による呼吸と光合成の効果が上空でも濃度変化に現れていることがわかります。
また、成田付近では地上に近いほうがより濃度が高くなっていて、人間の活動によるCO2の放出が地表付近に存在していることを裏付けています。

2.世界の広い範囲でCO2濃度の平面分布がわかってきました。

これらの図は高度8km以上の対流圏における4月と7月のCO2濃度の分布です。 8km以上の高度においても、北半球と南半球でCO2濃度が大きく違っていることがわかります。 春と夏の濃度差は北半球の高緯度で特に大きくなっています。
夏のシベリア上空の低濃度は、地表の森林が光合成を盛んに行って非常に低いCO2濃度を含んだ空気が上空に運ばれていることを意味します。 この時期、同じ北半球高緯度でも太平洋上空では地上のCO2を吸収する能力や大気の鉛直混合の違いを反映して、シベリア上空とは濃度が明らかに違っていることも大変興味深いことです。

3.赤道をはさんだ広い範囲でCO2濃度の緯度−高度分布がわかってきました。

これらの図は4月と5月のCO2濃度の緯度―高度分布です。
北半球の空気と南半球の空気は簡単には混ざりません。
4月の分布を見ると、植物の呼吸活動と人間の化石燃料燃焼で出たCO2による北半球の高濃度と、CO2放出の少ない南半球の濃度とで明瞭な違いがあることがわかります。
5月になると北半球の高濃度CO2が赤道上空の高高度を通過して南半球に運ばれているのが見えます(矢印の部分)。
このように、大量に得られたCO2のデータを利用して、目に見えない空気の動きを可視化することにも成功しました。

広範囲のCO2濃度観測

CMEを利用した高頻度連続観測から、これまでデータの少なかった上空のCO2濃度が、世界の広範囲で観測されています。また、これまで地上のデータでさえも非常に少なかった東南アジア地域、インドなどでも上空でのCO2濃度観測が可能になりました。

温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」の観測に協力しています。

CONTRAILプロジェクトに参加するJAL機によって得られた観測データは、「いぶき」の温室効果ガス観測精度の検証にも役立てられています。

温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」(GOSAT)
画像提供:JAXA

大気観測の測定器を搭載したボーイング777-200ER

観測装置の開発〜航空機搭載というハードルを越えるために

新大気観測では、自動大気サンプリング装置(ASE)とCO2濃度連続測定装置(CME)という2つの装置を使って観測します。2003年秋、国立環境研究所から装置搭載の依頼を受け、ギャレー(調理室)、ラバトリー(化粧室)などの航空機の内装品や部品の製造・整備を行なうジャムコ社とJALが協力して設計・開発しました。設計にあたり、JALは航空機を運航する立場から、装置に求められる制約条件と搭載方法をジャムコにアドバイスし、ジャムコはこれをもとに研究者からの要求に従ってFAA(米連邦航空局)や日本の国交省の認証を取得可能な装置を作り上げました。

ASEとCMEの開発は2003年の9月にスタートし、1号機の承認が下りたのが2005年の11月ですから、実質的に承認取得まで2年しかかかりませんでした。ASEは旧大気観測で既にJAL機に搭載していた装置の改良版を作るというお話でしたが、新たに一から作るCMEは環境研究所の町田敏暢先生のオリジナルの設計によるもので、その要望をすべて取り入れるのが大変でした。まずプロトタイプ(試作品)を作るのですが、町田先生の求めている機能や専門的な言葉がよくわからないので、試作品の試作品をいくつも作ってからようやく目的に合ったものができる、という具合でした。このようにして出来上がったものが初めて環境試験にかけられる試作品になります。環境試験では、装置に振動を与えたり、装置周辺の温度を変えたり、通常の航空機内では遭遇しないような過酷な条件下でも、その装置が航空機の安全に影響を及ぼさないことを確認しました。

ジャムコ社の近藤さん(左)と後藤さん(右)

技術的に大変だったのはEMI試験(電磁波の干渉)です。この試験では装置が出す電磁波のレベルを規定値以下に抑えなければならないのですが、これがなかなか難しいのです。電磁波は、装置のなかの電線を通す位置や装置の向きなどによっても強さが違ってきます。さらにCMEには高圧ガス容器を装備しているため、航空機に搭載するための安全基準が非常に厳しいレベルになりました。このように航空機に装置を搭載するためのハードルをいくつも越えてきました。また、開発を始めたころは先生方との認識をあわせるのが難しく、それがつらかったですね。先生方の要望や認識と、私たち開発や整備に携わる者の制約・常識をお互いが理解するのに1年以上かかりました。でも、何度も何度もコミュニケーションを重ね、最終的に高い信頼関係を築き、同じ方向に向くことができたからこそ、非常に完成度の高いプロジェクトになったのだと思います。

※この文は、開発に関わった上記3人の談話を元にまとめました。

JAL整備本部の中川由起夫

観測装置を航空機に搭載するために
株式会社JALエンジニアリング  技術部システム技術室機装技術グループ  吉永 明人さん

観測装置は、他社にはないオリジナルの改修を実施した777型機にのみ取り付けが可能です。また、観測装置を載せる専用ラックや配管などは、機内の数少ない余剰スペースに取り付けられています。航空機の図面や実機確認を経て設計された改修図面に基づいて改修を進めていきますが、初回の改修時には新たに取り付ける部品が既存の部品に干渉し、計画通りに取り付けられないなどの問題が発生しました。それだからこそ、一つ一つ問題を解決し、やっと完成にこぎつけた時は達成感で感無量でした。

初回の改修完了後には、地上試験並びに試験飛行で、航空機の既存システムや安全性に影響を与えない事を十分に確認しています。1機目の改修で問題が出尽くしたせいか、その後は順調に機体の改修を続け、今後も別の機体に予定した改修を施し、観測体制の更なる充実を図る予定です。
日本航空の飛行機で収集した、上空の大気や、そのデータを研究者の方々にバトンタッチし、今後も地球環境の研究で大いに活用していただけるよう、これからも万全な観測体制の維持に力を注いでいきたいと思います。

※本ページの掲載資料は、CONTRAILに参加する、国立研究開発法人国立環境研究所、気象庁気象研究所、株式会社ジャムコ、公益財団法人JAL財団のご協力を頂きました。