は じ め に本報告書は、ボートレースの交付金による日本財団の平成25年度助成事業「北極海航路における船舶からの黒煙(ブラックカーボン)に関する調査研究」の成果をとりまとめたものです。北極域の局地的な気候変動を一層加速させる原因物質として、地球温暖化の大きな原因物質であるCO2 の排出以外に、黒煙(ブラックカーボン)が重要とされていることについては、まだ多くの人々に理解されていないようです。一般に、燃料の不完全燃焼によって大気中に排出されるブラックカーボンは、太陽光を効率良く吸収する性質を持っており、大気中にある際には大気を加熱し、雪氷面に沈着した際には雪氷の融解を促進して、特に雪表面が夏季にも存在する北極域などにおいて気候変動の促進につながる重要な影響を持つ物質と認識されています。今後、北極海の海氷が減少していくことで、さらに北極海航路を航行する船舶の増加が予測されますが、これはブラックカーボンの排出増加にもつながり、同航路周辺において局所的に急激な気候変動の起こる可能性が示唆されております。すでに、国際海事機関 (IMO; International Maritime Organization)では、2011年7月に開催された第62回海洋環境保護委員会 (MEPC62; 62nd session of Marine Environment Protection Committee)で、国際海運から排出されるブラックカーボンが北極圏に及ぼす影響について調査を行い、規制の必要性について検討すべきであることが合意されており、ブラックカーボンの定義、計測方法及び制御方法等について技術的検討を進めております。このような状況に鑑み、当財団では、昨年度から船舶からのブラックカーボンの排出実態やシミュレーションなどを実施し、将来における北極域でのブラックカーボンに関する規制の必要性及び実用的対策の調査研究を行うことにより、地球環境問題の解決に寄与することを目的として本事業を実施いたしました。本年度は2 年計画の最終年度として、低質燃料を用いた船舶主機からのブラックカーボンの粒径や光学的特性について更にデータを収集するとともに、ブラックカーボンの定義についても国内外の議論を整理してまとめました。また、人工衛星が受信したAIS (自動船舶識別装置)データを基にした北極海におけるブラックカーボンの排出量分布図を作成するとともに、陸上の人工発生源からの排出量との比較を行いました。その結果、ロシアおよびカナダ沿岸などの北極海航路の利用は特に夏季において認められるものの、総排出量はスカンジナビア半島、アイスランド周辺海域に偏って存在することが判りました。また、解析結果を基に、大気中のブラックカーボン濃度などから大気の加熱状況の変化を解析し、沈着量などから雪表面の融解に繋がる反射率の変化についても検討しました。さらに、人体影響および生態系影響に対する変化ついても解析を行いました。いずれの結果も、現時点では直ちに影響を及ぼす大きなものではありませんが、特に活動量の大きい海域および増加が見込まれる海域において、局地的な濃度変化および沈着量変化を引き続きモニターする必要性を示唆するものとなりました。仮に、将来においてブラックカーボンに対して排出対策を実施する場合は、想定される海域を利用する船舶がアイスクラス船などに限定されることから、燃焼改善や燃料転換よりも、湿式スクラバーやディーゼル粒子フィルタなどの後処理技術が適していると考えられます。今後、世界的に見ても先進的なこれらのデータが国内外の検討の場において利用されることを望みます。本事業を進めるにあたりましては、高崎講二九州大学大学院総合理工学研究院教授を委員長とする「北極海航路における船舶からのブラックカーボンに関する調査研究委員会」各委員の方々による熱心なるご審議とご指導を賜りました。また、国土交通省海事局の皆様をはじめとするオブザーバの方々には委員会において有益なご発言を賜るとともに、特に実船試験においては船社から多大なるご協力を賜りました。これらの皆様に、心から厚くお礼を申し上げます。平成26年7月海洋政策研究財団理事長 今 義男北極海航路における船舶からのブラックカーボンに関する調査研究委員会委員名簿(順不同、敬称略)委員長 高崎 講二 九州大学大学院 総合理工学研究院 環境エネルギー工学専攻 教授委 員 前田 和幸 独立行政法人水産大学校 海洋機械工学科 教授櫻井 達也 明星大学 理工学部総合理工学科 助教青木 輝夫 気象庁気象研究所 気候研究部 第六研究室 室長大島 長 気象庁気象研究所 環境・応用気象研究部 第一研究室 研究官兼保 直樹 独立行政法人産業技術総合研究所 環境管理技術研究部門大気環境評価研究グループ 主任研究員速水 洋 一般財団法人電力中央研究所 環境科学研究所 大気・海洋環境領域上席研究員佐瀬 裕之 一般財団法人日本環境衛生センター アジア大気汚染研究センター生態影響研究部 研究部長津野 良治 一般社団法人日本船主協会 海務部 課長代理華山 伸一 海洋政策研究財団 海技グループ 主任研究員オブザーバ北林 邦彦 国土交通省 総合政策局 海洋政策課 海洋政策渉外官松本 友宏 国土交通省 海事局 海洋・環境政策課 環境政策推進官小林 正和 株式会社商船三井 海上安全部 安全グループ兼グループ事業部安全担当グループマネージャー堀内 主計 日本郵船株式会社 技術グループ 造船技術チーム チーム長井上 清次 川崎汽船株式会社 環境推進室山口 健太郎 第一中央汽船株式会社 船舶部技術課能代 俊亮 日本ガイシ株式会社 産業プロセス事業部 営業部 東京営業所関係者原 大地 株式会社日本海洋科学コンサルタントグループ 部長真壁 稔 株式会社日本海洋科学コンサルタントグループ 事業部長西田 浩之 株式会社日本海洋科学海外事業グループ 事業部長青山 憲之 株式会社日本海洋科学コンサルタントグループ 主任コンサルタント仲野 淳一 株式会社日本海洋科学コンサルタントグループ コンサルタント事務局岡嵜 修平 海洋政策研究財団 常務理事市川 吉郎 海洋政策研究財団 海技グループ グループ長三木 憲次郎 海洋政策研究財団 海技グループ グループ長森 勝美 海洋政策研究財団 海技グループ グループ長代理南島 るりこ 海洋政策研究財団 海技グループ 海技広報チーム チーム長市川 慎一 海洋政策研究財団 海技グループ 海事チーム チーム主任目 次第Ⅰ編 調査の概要 .............................................................................................................................. I1 調査の目的 .................................................................................................................................... I2 委員会開催日 ................................................................................................................................ I3 調査の結果 .................................................................................................................................... I3.1 船舶から排出される黒煙の排出実態の解明 ............................................................................... I3.2 黒煙による極地気象に対する影響に関するシミュレーション ............................................ III3.3 黒煙による健康被害及び生態系への影響に関するシミュレーション ................................ IV3.4 船舶から排出される黒煙の人工排出源に対する寄与率の推定 ............................................ VI3.5 排出実態にあった削減技術の抽出と規制の枠組みの検討 .................................................... VI第Ⅱ編 調査の内容 .............................................................................................................................. 1主要用語説明 ...................................................................................................................................... 1主要略語集 .......................................................................................................................................... 21 北極海航路における船舶からのブラックカーボン排出の影響の考え方 ............................ 51.1 船舶から排出されるブラックカーボンの定義 ......................................................................... 61.2 北極海航路を対象としたブラックカーボンの影響に係る国際的議論の状況 ..................... 91.2.1 IMO におけるブラックカーボンに対する規制の議論 .................................................... 91.2.2 ブラックカーボンによる気候変動に対する評価 ........................................................... 101.3 北極海航路における船舶からのブラックカーボンの環境影響評価項目 ........................... 121.3.1 北極圏における総人工排出源に対する船舶からの排出量の影響 ............................... 121.3.2 北極圏に対する局地的な気候変動への影響 ................................................................... 121.3.3 生態系影響の整理 ............................................................................................................... 141.3.4 人体健康影響の整理 ........................................................................................................... 152 船舶から排出されるダストの排出実態の解明 ...................................................................... 162.1 ダスト計測の目的 ....................................................................................................................... 172.2 ダスト計測の概要 ....................................................................................................................... 182.3 計測対象船舶 ............................................................................................................................... 192.4 ダスト分析方法 ........................................................................................................................... 202.4.1 粒径別ダスト重量・濃度把握のための分粒方法 ........................................................... 202.4.2 排ガス中ダストに含まれる無機炭素/有機炭素比(EC/OC比)の分析方法 ................... 202.4.3 Soot-Blow時に採取されたダストの粒子画像解析方法 ................................................. 212.5 通常航行時におけるダストの分析結果 ................................................................................... 222.5.1 排ガス採取量 ....................................................................................................................... 222.5.2 粒径別ダスト重量・濃度分析結果 ................................................................................... 23(1) A社製4.9万kWエンジンφ96におけるダスト粒径別重量割合と濃度 (アンダーセンスタックサンプラ) .......................................................................................................................... 25(2) B 社製1.9 万kW エンジンφ70 とC 社製1.3 万kW エンジンφ50 におけるダストの粒径別重量・炭素分析 (MCIサンプラ) ...................................................................................... 262.5.3 無機炭素/有機炭素比 (EC/OC比) ・濃度分析結果 ...................................................... 272.6 Soot-Blow時に捕集したダスト分析結果 ................................................................................. 302.6.1 排ガス採取量 ....................................................................................................................... 302.6.2 粒径別ダスト重量分析結果 ............................................................................................... 31(1) A 社製4.9万kWエンジンφ96のダスト画像解析による粒径分布 ............................ 31(2) C社製1.3万kWエンジンφ50 ......................................................................................... 322.6.3 Soot-Blow時における捕集粒子の無機炭素/有機炭素比濃度分析結果 ........................ 33(1) A 社製4.9万kWエンジンφ96 ........................................................................................ 33(2) C社製1.3万kWエンジンφ50 ......................................................................................... 342.7 考察 ............................................................................................................................................... 352.7.1 燃料消費率の検証 ............................................................................................................... 352.7.2 排出ガス流速とサンプリング速度 ................................................................................... 352.7.3 通常航行時のPM排出係数の試算 ................................................................................... 362.8 LAC 排出係数の設定 .................................................................................................................. 373 北極海航路を対象とした船舶活動量及びブラックカーボン排出量データの作成方法 .. 393.1 船舶活動量及びブラックカーボン排出量データの作成方法の概略 ................................... 403.2 使用データの詳細 ....................................................................................................................... 423.2.1 exactAIS データの詳細 ....................................................................................................... 423.2.2 対象海域の定義 ................................................................................................................... 473.2.3 空間・時間解像度 ............................................................................................................... 493.2.4 その他の設定 ....................................................................................................................... 503.3 北極圏における船舶の活動量とLAC排出量の算出方法 ..................................................... 513.3.1 速度及び存在時間の設定方法 ........................................................................................... 513.3.2 活動量 (時間当たり燃料消費量) の算出方法 ................................................................ 513.3.3 LAC 排出量の算出方法 ...................................................................................................... 514 北極圏における船舶活動量及びブラックカーボン排出量データの解析 .......................... 524.1 北極圏における船舶の活動量の解析 ....................................................................................... 534.1.1 個船数でみた船舶活動量の解析 ....................................................................................... 53(1) 不明船の取り扱い ............................................................................................................... 544.1.2 燃料消費量で見た船舶活動量の解析 ............................................................................... 57(1) 月ごとの活動量の解析 ....................................................................................................... 57(2) 緯度区分別・月別・ICE クラス別活動量 ........................................................................ 59(3) 船舶活動量の地理的分布 ................................................................................................... 614.1.3 船舶活動量の解析 ............................................................................................................... 65(1) 平均航行速力に対する実航行速度との比較 ................................................................... 65(2) 船種別運航時間及び航行距離でみた活動量の解析 ....................................................... 68(3) 既存の活動データとの比較 ............................................................................................... 704.2 北極圏における船舶からのLAC排出量の解析 ..................................................................... 734.2.1 LAC 排出量 .......................................................................................................................... 734.2.2 月別でみたLAC 排出量の解析 ......................................................................................... 744.2.3 船種別でみたLAC排出量の解析 ..................................................................................... 754.2.4 船籍別でみたLAC排出量の解析 ..................................................................................... 764.2.5 地理的分布でみたLAC排出量の解析 ............................................................................. 775 北極圏における船舶からのブラックカーボンの環境影響評価シミュレーション .......... 835.1 ブラックカーボンの環境影響評価のためのモデルの考え方 ............................................... 835.1.1 領域化学輸送モデル:WRF-Chem について ..................................................................... 845.1.2 大気放射モデル：Rstar-Mstrnについて ........................................................................... 845.2 計算シナリオの設定 ................................................................................................................... 855.2.1 北極圏における船舶からの寄与を算定するためのシナリオの設定 ........................... 855.2.2 対策の効果を算定するためのシナリオの設定 ............................................................... 865.3 計算条件及び計算手順 ............................................................................................................... 895.3.1 領域化学輸送モデルと大気放射モデルの計算設定条件 ............................................... 895.3.2 計算領域設定 ....................................................................................................................... 915.3.3 初期・境界条件設定 ........................................................................................................... 925.3.4 北極海を航行する船舶以外の排出量の設定 ................................................................... 93(1) 陸域人為起源排出量の設定 ............................................................................................... 93(2) バイオマスバーニング起源排出量の設定 ....................................................................... 94(3) 北緯66°以南の船舶起源排出量の設定 .......................................................................... 955.3.5 計算実行フローと実測値との再現性の確認 ................................................................... 975.4 シミュレーション結果と解析 ................................................................................................... 995.4.1 船舶の寄与を算定するためのシミュレーション結果と解析 ....................................... 99(1) 最下層EC濃度分布図 ........................................................................................................ 99(2) 気柱EC総量分布図 .......................................................................................................... 110(3) 気柱EC総量/排出量分布図 ............................................................................................. 120(4) 放射強制力分布図 ............................................................................................................. 1306 北極圏における船舶のブラックカーボン排出に対する対策の必要性の検討 ................ 1406.1 排出量寄与の観点からの対策の必要性の検討 ..................................................................... 1416.1.1 陸上排出源からのLAC排出量との比較 ....................................................................... 1416.1.2 排出量寄与からの対策の必要性の検討 ......................................................................... 1446.2 北極圏に対する局地的な気候変動への影響の観点からの対策の必要性の検討 ............. 1466.2.1 EC濃度および放射強制力に対する影響の観点からの対策の必要性 ....................... 1466.2.2 雪表面の反射率に対する影響の観点からの対策の必要性 ......................................... 1466.3 北極圏で懸念される生態系影響の観点からの対策の必要性の検討 ................................. 1516.4 北極圏で懸念される人体健康影響の観点からの対策の必要性の検討 ............................. 1526.4.1 疫学研究に基づく粒子状物質の健康影響評価 ............................................................. 1526.4.2 健康影響の定量評価モデル ............................................................................................. 1536.4.3 北極圏近傍における健康影響評価 ................................................................................. 154(1) PM2.5濃度と環境基準の比較を用いた評価 ................................................................... 154(2) 損失人口の計算に基づく評価 ......................................................................................... 1556.5 北極圏における船舶のブラックカーボン排出に対する対策の必要性のまとめ ............. 1587 ブラックカーボン排出対策が必要とされる場合の技術的な検討 .................................... 1617.1 船舶から排出されるブラックカーボン排出の低減に適用可能な技術 ............................. 1627.1.1 ディーゼル粒子フィルタ (DPF) ..................................................................................... 1627.1.2 湿式スクラバー (WET scrubber) ..................................................................................... 1647.1.3 A重油への燃料転換 (Fuel Switch) ................................................................................. 1667.2 ブラックカーボン排出対策のコスト評価 ............................................................................. 1677.3 ブラックカーボン排出対策の枠組み ..................................................................................... 1708 まとめ ........................................................................................................................................ 1718.1 船舶からのブラックカーボンの排出実態の特徴 ................................................................. 1728.2 北極圏における船舶からのブラックカーボン (LAC) の人工排出源に対する寄与 ....... 1728.3 シミュレーションによる船舶から排出されるブラックカーボンの影響評価 ................. 1738.4 ブラックカーボン排出対策の枠組み ..................................................................................... 1738.5 ブラックカーボン削減技術のまとめ ..................................................................................... 173第Ⅰ編 調査の概要I1 調査の目的極域を航行する船舶から排出される黒煙 (ブラックカーボン) は、雪氷面に沈着した際には、雪氷表面における可視光の反射率を変化させ、雪氷の融解を早めて気候変動を引き起こすと言われている。この気候変動はCO2などによる地球温暖化より急激かつ局所的であり、脆弱な生態系や我が国の気象に与える影響も大きいと言われている。船舶から排出される黒煙の寄与率は、将来の北極圏での商業航路の発展等によって、大きく増加する恐れがある。このため国際海事機関 (IMO) においては、2014 年までに北極域における船舶からの黒煙の規制の必要性について検討作業を進めることになった。本事業では、船舶からの黒煙の排出実態やシミュレーションによる環境影響評価及び実用的対策を踏まえて、将来における北極域での黒煙に関する規制のあり方について調査研究を行うことにより、地球環境問題の解決に寄与することを目的とする。2 委員会開催日本調査の実施にあたって、以下のとおり委員会を開催し、調査方針及び調査検討結果についてご審議いただいた。第1回：2013年7月23日第2回：2013年11月25日第3回：2014年3月20日第4回：2014年6月30日3 調査の結果3.1 船舶から排出される黒煙の排出実態の解明3.1.1 船舶の排ガス中に含まれるダストの採集と分析本事業では、外航商船で一般的なC 重油焚き2 ストロークディーゼル機関 (定格出力1万kW以上) の船舶について、通常航行時及びSoot-Blow実施時に排出される排ガス中に含まれるダストの排出実態を把握するため、昨年度実施したA社製4.9万kWエンジンφ96、(5 万総トン級外航コンテナ船) に加え、B 社製1.9 万kW エンジンφ70 (3 万総トン級外航コンテナ船) とC社製1.3万kWエンジンφ50 (1万総トン級内航RORO 船) を対象として排ガス中のダストを採集・分析した。なお、A 社製4.9 万kW エンジンφ96 とB 社製1.9 万kW エンジンφ70 は動粘度445～515 cSt、C社製1.3万kWエンジンφ50は動粘度158 cStのC重油が使用されていた。今年度実施のB社製1.9万kWエンジンφ70とC社製1.3万kWエンジンφ50について通常航行中の排ガスに含まれるダストをMCIサンプラにより分粒・採取して分析した結果、いずれも粒径が最も小さい2.5 μm カット以下における捕集割合が高く、重量ベースでは全体の94～95%を占めた。一方、昨年度実施のA社製4.9万kWエンジンφ96では2.5 μm 以II下の重量割合は約36%であったが、バックアップフィルタを使用していないことを考慮すると今年度実施のMCIサンプラを使用した計測結果と大きな乖離はないと考える。通常航行時におけるEC/OC 比について、今年度実施のB社製1.9万kWエンジンφ70及びC 社製1.3 万kW エンジンφ50 においては、いずれもOC の割合が高くなった。希釈によって排ガス温度を下げないダスト採取方法による分析にもかかわらず、OM の比率が大きいことは、自動車ディーゼル粒子との大きな差違といえる。このことは、フィルタ上に採取された粒子の色が完全な黒色でないことからも裏付けられる。以上の結果から、通常航行時の船舶ダストについては、粒径2.5 μm 以下の粒子として空気力学上取り扱うことで構わないと考え、また、第5 章で行うシミュレーション内の設定では、安全側の評価としてLACのうちOMについても自動車ディーゼル粒子と同様の光学的特性を持つものと仮定した。3.1.2 北極海航路を対象とした船舶活動量及びLAC排出量データ昨年度の事業では、AMSA2009 (Arctic Marine Shipping Assessment 2009) による北極圏沿岸国の航行データベース等を活用して北極海航路を対象とした船舶活動量データを作成した。本年度はカナダのexactEarth Ltdが提供する衛星AISデータを解析して最新の船舶活動量及び排出量データを整理した。解析の対象は2012 年11 月～2013 年10 月までとし、北緯66°以北を航行した船舶とした。AIS データには、船名やMMSI といった識別符号等の静的情報の他、各船の位置情報 (緯度・経度) や速力 (SOG) 、針路 (COG) 等の動的情報が含まれているが、主機関の負荷率に応じて変化する燃料消費量を算出するためには、個船毎に機関定格出力や航海速力等の情報が必要となることから、IHS Fairplay (以下、IHSF) の船舶データベースを参照することにより、これら必要情報を補完して北極海における船舶の活動量及びLAC 排出量データを整備した。なお、ここでLAC とはブラックカーボンの定義の一つであり、狭義のECに加えてOMとAsh を加えたものとして定義する。北極海における船舶の活動量及びLAC 排出量データを整備するにあたっては、北緯66°以北の海域のうち、ノルウェーの内航船や漁船などの活動が多いとみられる海域と北極海航路を分けるため、本事業では、西経25°～東経45°、かつ、北緯66°～80°の海域を“Non Arctic”とし、それ以外の北緯66°以北の海域を“Arctic”と定義した。活動量 (燃料消費量) の算定にあたっては、燃料消費率をEEDI策定のための仮定条件として使用される190 g/kWhとし、航海速力航行時の負荷率85%としてAISで実測された速度に応じて負荷率を3乗則に従って設定した。また、LAC排出量の算定については、活動量 (燃料消費量) ×排出係数として算出し、排出係数はEC、OM、Ashを加えた0.335g/kWhとした。(2) 北極圏における船舶活動量及びLAC排出量データの解析2012 年11 月～2013 年10 月までの1 年間の衛星AIS データを解析したところ、北緯III66°以北を航行した船舶ユニーク数は9,324 隻であり、そのうち約半数の4,964 隻は個船情報を特定することができた。残り半数弱のうち2,646 隻はクラスA を搭載し、1,714隻はクラスBと呼ばれる簡易型のAIS装置を任意に搭載している小型漁船等であったと推定される。AIS データに基づく北緯66°以北海域の航行船舶活動量 (燃料消費量) は7 月が最も多く、2 月が最も少なく7 月の半分程度となった。クラスA の活動量が大部分を占め、多くが小型船であるクラスBの活動量は相対的に小さく全体の5%以下であった。航行船舶の活動量 (燃料消費量) 及びLACの地理的分布によるとスカンジナビア半島沖に活動量及び排出量が集中しており、北緯66°以北におけるLAC年間総排出量2,161Mg/yearのうち、約82%の1,770Mg/yearが本事業で定義する“Non Arctic”域内で発生し、北極海航路 (NSR) やカナダ側の“Arctic”域内では約18%の391 Mg/yearであった。単位面積あたりの排出強度でみた場合も“Non Arctic”域内で最大11.29 kg/year/km2であるのに対し、“Arctic”域内は1.55 kg/year/km2で約7 倍の開きがある。また、過年度の調査検討結果から、我が国領海 (12 NM 以内) の平均が17 kg/year/km2、東京湾内で244kg/year/km2と比較してもはるかに少ない値といえる。3.2 黒煙による局地気象に対する影響に関するシミュレーション3.2.1 黒煙の移流・拡散シミュレーション北極域における黒煙の大気中濃度及び、沈着量を導出するために、領域化学輸送モデルを構築した。領域化学輸送モデルには、アメリカ大気研究センター (NCAR: The National Center forAtmospheric Research) 及びアメリカ大気海洋庁 (NOAA: National Oceanic and AtmosphericAdministration) が開発を主導するWRF-Chem (The Weather Research and Forecasting modelcoupled with Chemistry) を利用した。本事業における黒煙輸送シミュレーションの対象領域は、少なくとも北緯70°以北の地域が全て含まれる北極域と設定した。3.2.2 光吸収シミュレーションモデル(大気放射モデル)の構築黒煙の光学的性質による局地気象への影響をシミュレートする光吸収シミュレーションモデル (大気放射モデル) を構築した。ここで、光吸収シミュレーションモデル (大気放射モデル) とは、太陽放射エネルギー、地球・大気からの赤外エネルギーの大気中での伝播をシミュレートし、放射強制力として出力するモデルである。昨年度に引き続き、3次元化学輸送モデルWRF-Chem 及び大気放射モデルRstar-Mstrnを利用して、ブラックカーボンの輸送シミュレーションモデル・大気放射シミュレーションモデルの構築を行った。IV3.2.3 黒煙による局地気象に対する影響に関するシミュレーション結果極地気象に関して、ブラックカーボンが大気中に存在している際の影響を評価するパラメータとして放射強制力の変化を、ブラックカーボンが雪表面に沈着した後に融解を早める現象の評価のためのパラメータとして反射率の変化について計算検討を行った。大気圏最下層におけるブラックカーボン濃度に対する船舶からの寄与は全般としては、“NonArctic area”で10％内外、“Arctic area”では更に少なくなることが予想された。また、最も影響が懸念される7月の北極海上空において放射強制力についても、その増加分は最大1％程度に留まっている。他方、雪表面の反射率の変化については、沈着量が多い地域は夏季において既に海氷が消失していることなどから、現時点で沈着が海氷の消失に大きな影響を与えている可能性は小さい。また、夏季1ヶ月分の沈着が新雪に落ちた場合の反射率の変化の範囲は、通常の雪氷が夏季における降雨でザラメ化するなどの自然変化の範囲に比較して小さいと評価できた。3.3 黒煙による健康被害及び生態系への影響に関するシミュレーション3.3.1 健康被害本年度に実施した船上観測より、船舶排ガス中に含まれるブラックカーボンは、概ね空気力学径が2.5μm 以下の微小粒子 (PM2.5) として存在していることが確認された。PM2.5のような粒子状物質は、多種多様な化学物質で構成されている。例えば、わが国都市部における2004～2008年度のPM2.5重量濃度の平均値は22.6 μg/m3であり、そのうちBCに該当する元素状炭素成分 (EC) は11%、硫酸塩 (SO42-) は25 %、硝酸塩 (NO3-) は13 %を占める。このうち、硫酸塩と硝酸塩は、今回の事業においてLAC として定義されるBCではない。他方、疫学研究においては、これら成分はいずれも有害な健康影響の原因になり得るとの考えから、個々の成分に対してではなく、粒子状物質の重量濃度を対象として追跡調査がなされている。欧米では、様々な基準値の組み合わせにより、公衆衛生上のインパクトがどの程度低減できるかについても定量的な評価を行っている。具体的には、環境基準達成時に得られる社会的インパクトの減少 (死亡人数や入院患者の減少) について定量的な解析結果が求められている。例えば米国では、人体健康便益評価モデルのBenMAP (Benefits Mapping and AnalysisProgram) を行政ツールとして開発し、健康影響の定量評価を実施している。同モデルでは、対数線形型の濃度・応答関数が採用されている。本式では損失人工(ΔMortality)の変化量は、濃度変化分(ΔC)及び曝露人口の大きさに依存する。また、ベースライン (現状) におけるPM2.5濃度(C)が十分に低い場合、特にWHOが定めた指針値以下の場合には、同関係式の適用に不確実性があり、そもそもΔCの算出を行う必要がないものと考えられた。北極圏周辺におけるPM2.5濃度を評価するに当たり、ここでは、(i) BenMAP ではPM2.5に対して長期曝露影響のみを解析対象としていること、(ii) 欧州では日平均を対象とした環境基準が設定されていないこと、(iii) 短期影響評価を行うための高時間解像度のデータが困難であったことなどから、年平均値を対象にその濃度レベルを評価した。V今回、北緯66°以北の北極圏における測定結果を示すことはできなかったが、アラスカ州、アイルランド、英国北部、スカンジナビア半島といった北極圏に近い地域ではPM2.5実測年平均値濃度がWHO の指針値である年平均値10 μg/m3よりも十分に低いことが確認できた。これらの実測が行われいない高緯度帯ではPM2.5 の年平均値は更に低くなっていることが期待できる。なお、先述のとおり、わが国都市部における2004～2008年度のPM2.5重量濃度の平均値は22.6 μg/m3であり対象年は異なるものの、北極圏に近い地域よりもPM2.5濃度は高い状況にあることがわかった。さて、BenMAP においてはΔMortality (大気汚染に起因する死者数の変化) は、対象となるpopulation (曝露人口) が多いほど大きく計算される。関東地域と北極圏周辺地域を比較した場合、健康影響評価の対象となる曝露人口には大きな差がある事が見て取れる。前項で示したPM2.5 濃度も併せて考えた場合、北極圏及びその周辺地域における健康リスクは、現状においてわが国におけるものよりも相対的に小さいものと考えることができる。既に述べた船舶の排出寄与あるいは、シミュレーションから推定されるEC 濃度への寄与を考えると、人体健康影響リスクの低減を目的とした場合、まずPM のうち太宗を占める硫酸塩とその付随水の低減を燃料中硫黄分の規制によって削減するべきで、これらを含まないLAC排出量を低減する優先根拠は小さいと言える。3.3.2 .生態系への影響生態系影響を評価するエンドポイントとして地衣類を選択し評価を行った。地衣類は植物とは異なり、根のような栄養素や水を吸収する器官がなく、降水から直接栄養分を得ている。また、葉面を守るクチクラ層やガス交換のための気孔がないため、地衣体と呼ばれる本体が大気に直接暴露されている。そのため、大気汚染物質の影響により種組成や被覆率が変化することが知られており、様々な汚染物質の環境指標生物として多くの活用事例が報告されている。エストニアのオイルシェール発電所付近では、同発電所から排出されていると推定されるカルシウムを多く含む粒子状物質の沈着により、全く地衣類の生息が確認できない地衣砂漠とも言われるような地域が形成される等、大気汚染物質の沈着による地衣類の生態系に対する明らかな影響が顕在化している。粒子状物質だけでなく窒素沈着でも地衣類は生態系内の種組成や被覆率が大きく変化することが報告されており、この変化量を活用した臨界負荷量の設定の議論も進んでいる。既報によると、地衣類を考慮した窒素の臨界負荷量は、5 kg N ha−1yr−1未満 (例えば2 − 4 kg N ha−1yr−1) に設定するのが妥当であり、北極域にも適用は可能と考えられる。ツンドラのような樹冠による遮りがない状況においては、林外の湿性沈着として1 − 3 kgN ha−1yr−1が目安となる。ただし、今回推定しているLACには定義上窒素は多く含まれていないため、LAC沈着が直接窒素沈着量に大きく影響を及ぼす可能性が少ないと考えられる。ブラックカーボンによる地衣類への直接的な影響を示す科学的な報告事例は少ないが、その光吸収特性から、「日陰効果」や「葉温上昇効果」等により、植物の光合成低下やVI蒸散促進を引き起こす可能性が示唆されている。地衣類に適用すべきブラックカーボン沈着量の閾値としては、我が国の代表的な樹種において日陰効果により10%程度の光合成阻害を引き起こす、葉面積当たり3−40 mg C/m2のBC付着量が一つの目安となる。今回のLAC 沈着量と地衣類の被覆率から考えると、同臨界負荷量に達する可能性は低い。なお、局所的な影響を更に精密に評価するためにも、地衣類を指標生物としてBC を含めた大気汚染物質の沈着量に対する影響を引き続きモニターする必要があると考えられる。3.4 船舶から排出される黒煙の人工排出源に対する寄与率の推定今年度整備した衛星AISデータに基づく北緯66°以北での船舶からのブラックカーボン排出量データと昨年度の事業で既に整備している陸域でのブラックカーボン排出量及び北緯66°以南の船舶からのブラックカーボン排出量データから、北極圏を対象にブラックカーボンの人為起源排出量に占める船舶由来分の寄与率を推定した。地理的にみると、北緯66°以北の北極海で排出されるブラックカーボン全体の約8割はスカンジナビア半島やアイスランド付近のNon Arctic areaで排出され、残りの2割がNSRやカナダ側航路等で排出されていることがわかった。この結果、森林火災起因を含む人工排出源からのブラックカーボン排出総量に占める寄与は、スカンジナビア半島やアイスランド付近の海域でNon Arctic areaで29%に達するのに対して、Arctic areaでは2%に過ぎない。3.5 排出実態にあった削減技術の抽出と規制の枠組みの検討船舶から排出されるブラックカーボンの削減技術として、ディーゼル粒子フィルタ (DPF)もしくは湿式スクラバーなどの後処理装置を装着した場合と、主機関の使用燃料をC 重油からA重油に転換することなどが考えられる。これらブラックカーボンの排出量削減技術について、その削減効果を文献調査より推定し、ブラックカーボンの削減に必要なコストを船舶寿命全体として計算するMAC (Marginal Abatement Cost) によって比較評価した結果、ディーゼル粒子フィルタ (DPF)と湿式スクラバーはいずれも燃料転換よりもMAC が低く、なかでもスクラバー水の排水処理を行わず、一度利用した海水をただちに排水するオープンループ方式を用いたスクラバーのMACが最も小さく計算された。船舶からのブラックカーボン排出量の削減対策の枠組みとしては、まずICE クラスの船舶を対象にディーゼル粒子フィルタ (DPF) や湿式スクラバーの装着を中心とした対策を既存船、新造船ともに設定することが望ましいと考えられ、使用燃料のC重油からA重油への転換はブラックカーボン排出量の削減技術としてはコストパフォーマンスが悪い。他方、ボランタリーな対策において人体健康影響リスクの低減を重視する場合には、硫酸塩及びその付随水の低減はブラックカーボン低減MAC より小さく計算されることから、ECA-S の追加設定など既存の規制の枠組みを利用することも考えられる。第Ⅱ編 調査の内容-1-主 要 用 語 説 明本報告書で使用した用語のうち、特に説明が必要と思われる主要な用語について以下に示す。その他の用語については、本文中の解説を参照されたい。排ガスエコノマイザ ディーゼルエンジンから発生する排気ガスの熱を回収して蒸気を造る装置。Soot-Blow 排管内の煤を蒸気や空気などで飛ばして除去すること。アンダーセンスタックサンプラ 煙道中の粒度分布を測定する機器で、インパクター方式を採用したエアロゾルの粒度分布測定ができる装置。MCI (マルチノズル・カスケード・インパクト) サンプラ米国連邦規格（Federal Reference Method：FRM）を満たすPM2.5と同等の分級性能を持つインパクター。RORO 船 Roll-on Roll-off (ロールオン・ロールオフ) とは、自走でトレーラーを積み上げする荷役方式の船舶で、定期航路に就航する内航船が多い。北極海 (Arctic Ocean) ユーラシア大陸、グリーンランド、北アメリカ大陸等によって囲まれた北極点を含む大洋。ロシア、カナダ、アメリカ、デンマーク、ノルウェーの5か国の沿岸に接している。高緯度のため、通年氷に覆われているが、シベリア沖の北極海航路 (NSR：Northern Sea Route) は、近年の気候変動により北極海が温暖化したことで航行可能な期間が長くなり、商用利用に着目されつつある。なお、北極圏とは北緯66°33′以北の海域・地域をいう。Arctic area スカンジナビア半島やグリーランド東岸、スバールバル諸島付近での船舶の活動実態を踏まえ、本事業ではIMO の定義とは別に「西経25°～東経45°かつ北緯66°～80°を除く、北緯66°以北のエリア」を”Arctic area”と定義する (図 3.2-10参照) 。Non Arctic area 本事業では、「西経25°～東経45°かつ北緯66°～80°のエリア」を “Non Arctic area”とする(図 3.2-10参照)。－ 1 －-2-主 要 略 語 集本報告書で使用した略語のうち、特に説明が必要と思われる主要な略語について以下に示す。その他の略語については、本文中の解説を参照されたい。AIS Automatic Identification System。船舶自動識別装置。SOLAS 条約で、2002年から全世界レベルで船舶に導入されたシステムであり、我が国も500 総トン以上の国際航路の船舶及び300 総トン以上の国際航路の客船に設置が義務付けられている。AIS では、船舶情報 (自船の識別符号・位置・針路・速度) を含む22 種類のメッセージが用意され、これらを自動的に送信すると共に他の船舶が送信した情報を受信・解析する装置である。AIS 信号を低軌道周回衛星で受信する衛星AISによって陸上局では受信できなかった沖合の船舶の動静も把握することができる。ARCTAS Arctic Research of the Composition of the Troposphere from Aircraft and Satellitesは、NASA (米国航空宇宙局) が2008年4月と6～7月にアラスカ及びカナダ西部において実施した航空機と衛星を用いた北極の対流圏組成調査である。BC Black Carbon。黒色の炭素。BrC Brown Carbon。茶色の炭素。CAPEX Capital Expenditure。対策技術の初期導入費用。DPF Diesel Particulate Filter (排気ガス脱塵装置) 。ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる粒子状物質を漉し取って軽減させるフィルタ。EC Elemental Carbon。元素炭素。IMO International Maritime Organization。国際海事機関。船舶の安全及び船舶からの海洋汚染の防止等、海事問題に関する国際協力を促進するための国連の専門機関。IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change。気候変動に関する政府間パネル。LAC Light Absorbing Carbons。光を吸収する特性のある炭素の総称。MEPC Marine Environment Protection Committee。海洋環境保護委員会。IMOを構成－ 2 －-3-する委員会の一つで、海洋環境を対象としている。MMSI Maritime Mobile Service Identity (海上移動業務識別コード) は、DSC (DigitalSelective Calling：デジタル選択呼出し) 通信装置を搭載した船舶・地上局に認識番号として交付される番号。9 桁の数字から構成され、最初の3 桁は国籍を示す。NCAR National Center for Atmospheric Research。米国大気研究センター。NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration。米国海洋大気局。NOx Nitrogen Oxides。窒素酸化物。OC Organic Carbon。有機性炭素。OM Organic Material。有機物。OPEX Operating expense。対策技術の運用費用。PM Particulate Matter。粒子状物質。PPR IMO 汚染防止・対応小委員会。Sub-Committee on Pollution Prevention andResponse。SO2 Sulfur Dioxide。二酸化硫黄。UNFCCC United Nations Framework Convention on Climate Change。気候変動に関する国際連合枠組条約。US-EPA US Environmental Protection Agency。米国の環境保護庁。WHO World Health Organization。世界保健機関。WRF Weather Research and Forecasting model。WRFモデルは、実用的な天気予報とそれに関連する研究のために開発された、次世代の3 次元メソスケール気候予測数値モデルであり、最先端気象モデルの一つに位置づけられている。その開発には米国大気研究センター (NCAR) /米国環境予測センター (NCEP) /米国海洋大気庁予報システム研究所 (NOAA/FSL) が携わっており、現在も定－ 3 －-4-期的にバージョンアップが行われている。多数の力学に関するコード、3 次元変動データ同化システム (3DVAR) 、並列計算用のソフトウェア構造など。WRF は、数キロメートルから数千キロメートルといった幅の広い領域にも対応できるモデルである。WRF-Chem Weather Research and Forecasting-Chemistry。大気反応シミュレーションモデルのうち、NCAR 及びNOAA が開発した第3 世代化学物質輸送モデルのひとつである。このモデルは、気象モデル (WRF) と直接的に結合しているオンライン型モデルであり、そのため、大気化学種の気象・気候へのフィードバックをシミュレートすることが可能なモデルであって、気候変動の分野においてもその発展性が期待されている。－ 4 －-5-1 北極海航路における船舶からのブラックカーボン排出の影響の考え方化石燃料やバイオマスの不完全燃焼によって大気中に排出されるブラックカーボンは、太陽光を効率良く吸収する性質を持ち、大気中に滞留している際、大気を加熱することで温暖化に影響すると言われている。また雪氷面に沈着した際には、周囲の雪氷を加熱することにより、雪氷の融解を促進する。この雪氷融解効果は、太陽光の雪氷による反射効果を著しく減少させるため、温暖化の促進につながる重要な影響と認識されている。今後、北極圏の氷床融解がもたらす北極圏航路の開設は更なるブラックカーボンの排出増加につながり、その沈着によって雪氷の被覆率が高い北極圏においては局所的に急激な温暖化が引き起こされる可能性が示唆される。本事業では昨年度に引き続き、船舶からのブラックカーボン排出実態を解明するための観測を行うとともに、北極海における船舶の活動量及び排出量の算定、並びにそれに基づく環境影響評価のためのシミュレーションを実施することにより、船舶から排出されるブラックカーボンが環境や人体健康、生態系に及ぼす影響を評価するとともに削減技術の評価、対策が必要とされる場合の枠組みについて検討したものである。ブラックカーボンについては国際的な枠組みにおいても十分な共通認識ができているものではなく、PM との混同も多くみられるが、光を強く吸収する物質として認識されており、粒子状物質として生態系や人体健康影響との関連性も指摘されている。本事業においては、粒子性物質に含まれる成分のうち、EC、OM (Organic Material) 、Ashの合計値をLAC とみなして排出インベントリ及び輸送シミュレーションモデルの整備を行うものとした。－ 5 －-6-1.1 船舶から排出されるブラックカーボンの定義ブラックカーボンは、大気中に排出される粒子状物質の一部であると理解されている。他方、大気中に排出される粒子状物質については、以下に示すように、多くの専門用語が用いられている。他方、ブラックカーボンについては定義が充分に確定していない。本事業におけるブラックカーボンの定義について以下に整理する。表 1.1-1粒子状物質に関連して用いられる主な専門用語用語 定義PM2.5 粒径2.5 μm 以下の粒子状物質全てを指す。大気環境中濃度の定義として用いられることが多い。下記のPMなど一次粒子以外に大気中の化学反応や凝縮によって生成する二次粒子を含む。PM10 粒径10 μm 以下の粒子状物質全てを指す。大気環境中濃度の定義として用いられることが多い。PM2.5以外に、土壌粒子や海塩粒子など自然起源の粒子も含む。PM 内燃機関から排出される粒子状物質の定義の一つ。希釈法によって排ガス温度を50 ℃程度にまで冷却後に採取された粒子状物質の総質量。下記のSoot以外に排ガス温度低下によって生じる硫酸塩とその付随水が含まれる。また、Soot においてはフィルタで捕集されないEC のナノ粒子及び高沸点のOM についても冷却中に凝集によって粒径が成長し捕集されると考えられている。粒径については測定法上規定はないが、自動車のPMは全てPM2.5として扱われることが多い。ダスト 内燃機関から排出される粒子状物質の定義の一つ。希釈を行わず排ガス温度が高いままで捕集を行う。さらに乾燥行程によって付着水分は秤量されない。硫酸塩とその付随水などは捕集されない。粒径については測定法上規定がない。スート (Soot) と呼ばれることもある。EC PM あるいはダストに含まれる粒子を化学的組成で区分したもの。主に純粋な炭素粒子で構成される。狭義のブラックカーボンを意味する単語として使用される場合もある。OM PM あるいはダストに含まれる粒子を化学的組成で区分したもの。主に燃料や潤滑油の不完全燃焼によって生じた有機化合物で構成される。－ 6 －-7-表 1.1-2 に示すとおり、ブラックカーボンの定義については、国際的な議論の場あるいは科学的にも十分な共通認識ができているとは言いがたい。例えばIPCC (IntergovernmentalPanel on Climate Change: 気候変動に関する政府間パネル) による第4次評価報告書1(AR4)では、ブラックカーボンは「不完全燃焼過程で大気中に直接放出される1次エアロゾルであり、太陽放射を強く吸収する。親水性と疎水性があり、様々な成分 (硫酸塩やOC) と混合体をつくる (外部混合、内部混合) 」と説明されている。その一方で、IPCC による第5 次評価報告書においては、「分析手法上、エアロゾルの一種であり、光学的吸収特性、化学反応性及び熱的安定性によって定義される。時にはSootと同義である」となっており、AR4の定義が環境中の挙動に重点を置いているのに対して測定法上の定義に変更されている。CLRTAP (Convention on Long- range Transboundary Air Pollution: Convention on Long- range.Transboundary Air Pollution) のグーテンバーグ議定書の改正案2では、ブラックカーボンについて「光を吸収する炭素性のParticulate matter (PM) を意味する」と説明されており、さらにPM については「大気中の浮遊粒子から成る汚染物質であり、様々な物理特性 (サイズや形状)や化学組成を持つ。ここでは、特に記述がない限り、PM は空気動力学径が10 μm 以下のもの (PM10) を指す。その中には、2.5 μm 以下のもの (PM2.5) も含まれる」と説明されている。上記議定書の改正作業に先んじて、CLRTAP の諮問に対して”Ad Hoc Expert Group on BlackCarbon” が提出したレポート3では、ブラックカーボンは「燃料の不完全燃焼で生じる炭素質の1 次エアロゾルであり、光を強く吸収する。様々な汚染物質と混合体をつくる。また、Elemental carbonと同義である」と説明されている。このように、ブラックカーボンの定義については、陸上の排出源を対象にした場合であっても十分な共通認識ができているとは言いがたく、硫酸塩とその付随水を含むPM との混同も多く見られる。何れにおいても、ブラックカーボンは光を強く吸収する物質としている点は、どの国際的な枠組みにおいても重視している。後述するように、IMOにおける議論ではBCの定義としてLAC (Light Absorbing carbons) とeBC の二つに集約されている 。そこで、本事業では、粒子状物質に含まれる成分のうち、EC+OM (Organic material) + Ashの合計値をLACとみなして排出インベントリ及び輸送シミュレーションモデルの整備を行うこととした。詳細は1.2 を参照されたい。なお、LAC に含まれるブラウンカーボン (BrC) であるOM とAsh については、EC と同様の光学的設定を行うことは少ないが、本計算においては、これらのLACとして定義されるEC以外の全ての成分についても、自動車から排出されたECと同様の光学的特性、すなわちほぼ黒色としてシミュレーション上は扱うこととした。これは、BCの影響としては大きめの評価すなわち安全側の評価となる。灰分の一部として検出される重金属類については、生態系への直接的影響が考えられるが、そのリスク評価は定性的に行うものとする。1 IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007(http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/syr/en/contents.html)2 The 1999 Gothenburg Protocol to Abate Acidification, Eutrophication and Ground-level Ozone(http://www.unece.org/env/lrtap/multi_h1.html)3 Report of the Expert Group on Black Carbon (ECE/EB.AIR/2010/7:http://www.unece.org/fileadmin/DAM/env/lrtap/ExecutiveBody/welcome.28.html)－ 7 －-8-表 1.1-2 国際的な枠組みでのブラックカーボンに対する考え方国際的な枠組み ブラックカーボンに関する記述IPCC Fourth Assessment Report不完全燃焼過程で大気中に直接放出される1 次エアロゾルであり、太陽放射を強く吸収する。親水性と疎水性があり、様々な成分 (硫酸塩やOC) と混合体をつくる (外部・内部混合)IPCC Fifth Assessment Report 分析手法上、エアロゾルの一種であり、光学的吸収特性、化学反応性及び熱的安定性によって定義される。時にはSootと同義である。The 1999 Gothenburg Protocol toAbate Acidification, Eutrophicationand Ground-level Ozone光を吸収する炭素性のParticulate matter (PM) 。PMは、大気中の浮遊粒子から成る汚染物質であり、様々な物理特性(サイズや形状) や化学組成を持つ。ここでは、特に記述がない限りは空気動力学径が10 μm 以下のもの (PM10) を指す。その中には、2.5 μm 以下のもの (PM2.5) も含まれるReport of the Expert Group on BlackCarbon燃料の不完全燃焼で生じる炭素質の1 次エアロゾルであり、光を強く吸収する。様々な汚染物質と混合体をつくる。また、Elemental carbonと同義。－ 8 －-9-1.2 北極海航路を対象としたブラックカーボンの影響に係る国際的議論の状況1.2.1 IMO におけるブラックカーボンに対する規制の議論2011年7月に開催された国際海事機関 (IMO; International Maritime Organization) 第62回海洋環境保護委員会 (MEPC62; 62ndsession of Marine Environment Protection Committee) では、国際海運から排出されるブラックカーボンが北極圏に及ぼす影響について調査を行い、規制の必要性について検討すべきことが合意された。その合意により、MEPC は、ばら積み液体・気体小委員会 (BLG; Sub-Committee on Bulk Liquids and Gases) に対して、ブラックカーボンの定義、計測方法及び制御方法等について技術的検討を実施し、MEPC65 (2013年)においてその結果を報告するよう指示している。これを受け、2012年に開催されたBLG16及び2013年に開催されたBLG17では、ブラックカーボンの定義・測定方法・削減方法についてコレスポンデンスグループ (通信部会) からの報告を基に議論が行われたものの、結論に至らず作業は2014年のPPR1 (第1回汚染防止・対応小委員会：Sub-Committee on Pollution Prevention and Response) まで延長された。例えば、BLG17 では、ブラックカーボンの政策的定義として「国際海運からのBC とは、炭化水素燃料の不完全燃焼により形成され、集塊して最も効果的に太陽エネルギーを吸収するPM構成物質」であるといった政治的な定義 (political definition) に概ね支持は得られた。他方、技術的定義については、測定方法としてFSN 法 (Filter Smoke Number) や希釈法などが提案されたものの、ブラックカーボンと定義すべく共通の測定法を採択するには至らなかった。さらに、2014年2月に開催されたPPR1においては、表 1.2-1に示すように、コレスポンデンスグループでまとめられたEC、eBC、rBCに併せてNorway 提案のLAC の4つの定義を一つの定義に最終化することを目標としてWG において議論が行われたが、技術的な観点から定義されたeBC (defined as equivalent Black Carbon (eBC) derived from opticalabsorption methods, that utilizes a suitable mass-specific absorption coefficient) と、気候変動の影響の観点から定義されたLAC (defined as light absorbing carbonaceous compounds (LAC) ,resulting from the incomplete combustion of fuel oil.) の二つの定義に集約化されたのみであ