pCO₂測定システム(LI-5400A)

水系内のCO₂と
微量ガスの分圧を測定する

水環境での炭素測定の必要性

炭素の特性評価は、水環境における炭素の役割や影響を解明する上で重要です。炭素の測定は、炭素の流れ、循環、交換だけでなく、生態系の生産性、人為的排出量、そして地球規模の炭素収支に関する貴重な洞察を提供します。

特に、炭素の測定は、海洋酸性化の理解と評価に役立ちます。海洋酸性化は、大気中のCO₂濃度上昇による危険な影響であり、水生生物に与える影響を明らかにすることができます。これにより、最終的には気候変動の緩和戦略、保全活動、持続可能な管理の実践に貢献することが期待されます。

図1. 海面（大気-水界面）における炭酸塩化学の代表的な例：海面。海は温室効果ガスである二酸化炭素（CO₂）の最大の吸収源です。大気中の二酸化炭素は水と結びついて炭酸（H₂CO₃）を形成し、次に重炭酸イオン（HCO₃–）および炭酸イオン（CO₃2–）に変化します。そこから、炭酸イオンは溶解したカルシウムまたはマグネシウムイオンと反応して石灰岩や他の鉱物を形成し、炭素が隔離されることになります。

二酸化炭素分圧（pCO₂）測定の必要性

pCO₂測定は、大気および水環境における CO₂の役割をより理解するのに役立ちます。たとえば、大気中のpCO₂レベルの増加は温室効果の一因となるため、pCO₂レベルを定量化することで、人為的なCO₂排出やその他のCO₂排出と気候変動との潜在的な関係について知ることができます。

水中研究では、pCO₂測定を使用して海洋の酸性化を調査します。大気中のpCO₂レベルが増加すると、より多くのCO₂が下の水域に溶解し、平衡状態に達します。
海洋中の溶存CO₂の増加はpHの低下を引き起こし、水生生物に悪影響を及ぼす可能性があるため、海洋や気候変動の研究者にとってこの測定は重要です。

さらに、pCO₂測定により、水生生物の光合成や呼吸などの生物学的プロセスに関するさらなる知見が得られます。

pCO₂とは？

二酸化炭素（CO₂）の分圧であるpCO₂は、溶液中のCO₂ガスの圧力です。
これは、CO₂ガスが水や大気などの混合ガス中に及ぼす圧力を表します。水生炭素系（淡水系や海水系など）の場合、pCO₂はCO₂(aq)として表され、単位はマイクロ気圧(μatm)です。

pCO₂測定システムの利点

・3～4分で測定可能
・耐久フレームを採用し、様々な用途・設置場所に対応
・淡水または海水環境で使用可能
・最大5つのガス規格に接続
・科学雑誌に掲載された確立された研究方法

測定方法

各pCO₂システムには、「pCO₂ 分析装置」と「ガス分析装置」の 2つの機器が含まれています。pCO₂分析装置は、2段階シャワーヘッド平衡装置、水フィルター、ガス選択バルブ、風・天候センサー、データ収集・分析用の専用ソフトウェアを搭載したコンピューターで構成されています。

pCO₂システムは、気体 CO₂と溶存CO₂の関係を利用して、pCO₂を正確に測定します。
水サンプルは、まず外部ポンプを使ってシステムの平衡器に送り込まれます。一方、平衡器のヘッドスペースからの空気サンプルは、電子冷却システムとナフィオン乾燥チューブで構成される乾燥システムを通過し、水分を除去します。

LI-CORトレースガス分析装置を備えた LI-5400A pCO₂システム
塩分濃度と温度は、Seabird SBE-45 サーモサリノグラフで測定され、取水時には取水温度と塩分濃度が測定されます。また、各pCO₂システムでは、気圧と水蒸気圧が考慮されます。

すべてのpCO₂システムは、気温と風の測定、および GPS 位置を提供するAirmar 気象ステーションを使用します。システムがプレミアムパッケージの場合、溶存酸素センサー(Aanderaa 4835 DO)、蛍光および濁度センサー(Turner Designs Cyclops 7F)、および pH センサーが含まれます。