サハラの砂塵

サハラ砂塵（アフリカ砂塵、黄砂、黄砂、黄風、サハラ砂嵐とも呼ばれる）は、世界最大の高温砂漠であるサハラ砂漠から発生する風成 鉱物砂塵である。この砂漠は、大西洋から紅海、地中海からニジェール川渓谷、南部のスーダン地域まで、900万平方キロメートル強の面積に広がっている。 ^[1]

サハラ砂漠は世界最大の風成塵の発生源であり、年間発生量は約400～700 x 10 ⁶トンで、これは海洋に流入する風成砂漠のほぼ半分に相当します。^[2]サハラ砂漠の砂塵は、暴風などの自然現象によって発生することが多く、人間の活動による影響は大きくないようです。^[3]  

ほとんどの場合、海洋細菌や植物プランクトンは微量栄養素の 鉄を必要としますが、これはサハラ砂漠の砂塵の輸送によって供給されます。大西洋と地中海に運ばれる砂塵には溶解可能な鉄がわずかしか含まれていません。^[4]しかし、溶解可能な割合が低くても大量の鉄がこれらの地域に供給されるため、サハラ砂漠の砂塵はこれらの地域への大きな鉄源となります。砂塵の溶解性に寄与する要因は、粒子サイズ、砂塵の鉱物組成、水温、pHです。^{[5] [6]}リガンドと呼ばれる有機分子も鉄の溶解性を高め、一次生産に利用しやすいようにすることができます。^[7]

サハラ砂漠の砂塵は、アマゾン川流域、スカンジナビア半島、^[8] 日本、^[9]などの地域に運ばれることが確認されている。北大西洋と地中海^[10]に供給される砂塵は、一次生産を高めるのに役立つ栄養素をもたらす。流域内の土壌の大半でリンが限られているアマゾン川流域では、サハラ砂漠の砂塵が主なリン源となっている。この砂塵は、限られた栄養素を供給し、場合によっては陸上の土壌発達を促進することで、米国南東部とカリブ海の生態系にも影響を与えている。 ^{[11]サハラ砂漠の砂塵は}氷河でも発見されており、大気の循環を調べるために研究されている。^[11]サハラ砂漠の砂塵による人間への影響には、周辺地域で砂嵐が発生した際の呼吸困難^{[12] [13]やその他の健康被害が含まれる可能性がある。 [14]}

2005 年の砂嵐によるサハラ砂漠の塵の粒子が分析され、その直径は 100ナノメートル(1 ナノメートル = 1 x 10 ⁻⁹メートル) から 50マイクロメートル(1 マイクロメートル = 1 x 10 ⁻⁶メートル) の範囲でした。粒子のほとんどは硫酸塩で覆われており、ケイ酸塩粒子の平均コーティングの厚さは 60 ナノメートルであることがわかりました。^[3]大気中では、粒子はエアロゾルとして機能し、太陽光を宇宙空間に戻すことができます。太陽光の吸収は、粒子サイズが小さいほど大きくなります。粒子の反射率 (アルベド) は、すべてのサンプルで 0.945 から 0.955 の間で変化しました。値が 1 に近いほど、これらの粒子の反射率が高いことを示しています。 ^[3]サハラ砂漠の塵の粒子のサイズは、発生源からの距離によって大きく決まります。大気圏を離れて地表に戻る最初の粒子は、最も大きく粗い粒子です。粒子がさらに移動するにつれて、より小さな粒子が多く残ります。^[11]

2005年のサハラ砂漠の砂塵サンプルでは、​​砂塵粒子の平均組成は、ケイ酸塩64% 、硫酸塩14 %、石英6%、カルシウムを多く含む粒子5%、鉄分を多く含む粒子（ヘマタイト）1%、すす1%、その他の炭素を多く含む粒子（炭素質物質）9%でした。これらのサンプルでは、​​砂塵粒子に17種類の元素が含まれていることが確認されましたが、その中にはナトリウム（Na）、マンガン（Mn）、アルミニウム（Al）、シリコン（Si）、鉄（Fe）、コバルト（Co）、銅（Cu）、カリウム（K）、カルシウム（Ca）など（ただし、これらに限定されません）が含まれていました。^[3]

サハラ砂漠から亜熱帯北大西洋に供給される塵には、海洋に流入する他の塵の発生源に比べて多量の鉄が含まれています。また、一次生産には必要ないアルミニウムも含まれていますが、塵の発生源の指標として使用できます。^[15]

サハラ砂漠の塵も表層水にリンとシリカを供給している。塵は硫黄を運ぶことも示されているが、これは十分に理解されていない。^[16]

サハラ砂漠の砂塵は海洋生態系に重要な栄養素を提供します。鉄は、植物プランクトンなどの海洋一次生産者の光合成に必要な微量栄養素です。大西洋の一部では、溶解した鉄が植物プランクトンの光合成量を制限していると考えられています。海面に運ばれる砂塵のほとんどでは鉄は溶けず、生物は鉄を溶解して光合成に利用できるようにするためにリガンドと呼ばれる有機分子を必要とします。^[7]

粒子に生息する微生物は、塵が巻き上げられて吹き飛ばされると、本来の生息地から運ばれてしまうことがあります。^[17]場合によっては、これらの微生物は生き残り、塵が落ちた場所で成長し、地元の生態系に影響を及ぼすことがあります。一例として、フランス、イタリア、スイスに隣接するアルプスのモンブランでは、雪に生息する細菌が塵の粒子上で発見されました。^[18]サハラ砂漠の塵の細菌がカリブ海のサンゴに病気を引き起こしたという研究もあります。^[19]

サハラ砂漠の砂塵は大量の鉄分を大西洋と地中海に運びますが、実際に水に溶けるのはそのうちのごく少量（約0.4～0.5%）だけです。^{[4] [20]}サハラ砂漠の砂塵が世界の海に溶ける度合いとそれが運ぶ鉄分は、粒子の大きさ、鉱物組成、温度、pH、有機物の有無など、さまざまな要因に依存します。

長距離を運ばれるサハラ砂漠の砂塵は、主にエアロゾルと呼ばれる非常に小さな粒子で構成されています。^[21]粒子が小さいほど、質量あたりの表面積は大きくなります。 ^[5]サハラ砂漠の砂塵が水域に沈むと、表面積が大きくなるため、砂塵と周囲の水との接触が増え、大きな粒子よりも速く溶解します。この効果は、ケルビン方程式の変形によって説明されます。^[5]

エアロゾル化された塵埃中の鉱物は、通常、大気中で土壌中の物質よりも溶解性が高くなるように変化します。^{[21] [6]}鉄を大気中でより溶解性の高い形に変化させることが知られているプロセスには、酸性反応と光化学があります。^{[6] [22]}粘土、長石、酸化鉄などの鉄含有鉱物は、サハラ砂漠の塵埃中によく見られます。^{[21] [23]} サハラ砂漠の塵埃中の粘土は、酸化鉄よりも高い溶解度を示す傾向があります。^[21]サハラ砂漠の塵埃中のこれらの鉱物と他の形態の鉄の相対量の変化は、溶解する塵埃の量が変わる可能性があります。

多くの塩やミネラルの溶解度は温度とともに増加します。^[24]その結果、サハラ砂漠の砂塵は一般的に気温が高い地域でより溶解しやすくなります。

pHは金属含有物質の溶解度を決定するのに役立ちます。低pH（酸性条件）では、鉄は一般的に高pH（塩基性条件）よりも溶解度が高くなります。^[25]このpH効果はサハラ砂漠の砂塵の鉄溶解度で直接観察されており、砂塵はより塩基性の表層海よりも酸性エアロゾルや雨水に溶けやすい傾向があります。^{[4]このため、サハラ砂漠の砂塵を含む}湿性沈着は、地中海や大西洋への溶解性鉄の重要な輸送手段となっています。 ^{[4] [26]}

遊離水溶液鉄は、非酸性条件ではあまり安定しておらず、酸化されて鉄酸化物を形成し、溶液から沈殿する傾向がある。^[25]ある種の有機物は、鉄に結合して比較的不溶性の鉄酸化物の形成を防ぐことで、鉄を安定化させるのに役立つ。これらの有機分子はリガンドと呼ばれる。有機分子中の異なる官能基とヘテロ原子は、分子の鉄結合活性に異なる形で寄与する。酸素(O)、硫黄(S)、窒素(N)などのヘテロ原子は、有機分子の鉄結合能力を高めることができる。O および/または S および/または N を含む有機物の存在は、エアロゾルに含まれる鉄の溶解度を高めることができる。^[27]特に カルボキシル基は、エアロゾル中の有機物のリガンドのような活性を高めることが知られている。^{[28] [27]}エアロゾルのリガンドのような特性に寄与することが知られている他の官能基には、エーテル、エステル、アミンなどがある。^[27]これらのリガンドを多く含むエアロゾルは、リガンドが少ないか全くないエアロゾルよりも溶解性鉄の割合が高くなります。サハラ砂漠の塵のエアロゾルにはこれらのリガンドが少なく、それがサハラ砂漠の塵からの鉄の溶解度が低いことに寄与しています。^{[27] [28]}サハラ砂漠のエアロゾルの有機物は、リガンド活性が強くない炭水化物のような物質をより多く含む傾向があります。 ^[28]

海洋表層の配位子は分子構造が多様で、ポルフィリンやシデロフォアなどの化合物クラスが含まれます。^[29]これらの分子は一般に、金属濃度が低い地域で金属を得るために海洋細菌や植物プランクトンによって生成されます。 ^{[30] [31]}海洋の他の配位子は、有機物が分解してフミン酸を形成するときに生成されます。^{[32]これらのフミン酸、}シュウ酸、マロン酸、酒石酸は、サハラ砂漠の塵に含まれる鉄の溶解度を特に高めることが示されている。^[33]

一般的に、海洋細菌や植物プランクトンは、鉄分摂取の必要量を満たすために、何らかの形で溶解した鉄を必要とします。サハラ砂漠の砂塵は大量の鉄分を海洋に運びますが、そのほとんどは不溶性です。^{[4] [20]そのため、サハラ砂漠の砂塵の溶解度を高める要因（粒子サイズが小さい、粘土のような鉱物組成、高温、pH値が低い、有機リガンドの存在）は、これらの生物に対する鉄の生物}学的利用能を高めると一般的に言えます。しかし、生物学的利用能の概念は、この言葉が示唆するよりも少し微妙なニュアンスがあります。

異なる形態の鉄に対する生物の好みは複雑である可能性がある。2つの異なる細菌プランクトン群集と異なるリガンドに結合した鉄の摂取を比較した研究では、2つの群集は異なる形態の結合鉄を利用していることが判明した。^[29]この研究では、鉄が豊富な地域の生物は、フェオフィチンなどのリガンドに結合した鉄を好むが、フェオフォルバイドなどのリガンドは好まないようであった（両方ともポルフィリン様リガンドであるが）。一方、鉄が枯渇した地域の生物は、無機の非結合鉄またはクロリンe ₆（別のポルフィリン様分子）に結合した鉄を好んだ。^[29]他のケースでは、生物が鉄獲得戦略として鉄の生物学的利用能を高める有機分子を生成することが記録されている。^[30]他の生物は、放牧圧を受けると、自分自身および他の種の植物プランクトンに対する鉄の生物学的利用能を低下させるリガンドを生成する。^[34]したがって、サハラ砂漠の砂塵由来の鉄の生物学的利用能は、その鉄を利用する生物の種類と、溶液中で利用可能な鉄の形態に依存する。

サハラの気象はサヘル気候の影響を受けています。この気象条件によって、周辺地域におけるサハラダストの方向、速度、高度、軌道、移動距離、持続期間が決まります。^[35]サハラダストの軌道は、予報官が検知できるサハラダストの煙の視認性によって測定されます。科学者は、GOES-16、NOAA-20、NOAA/NASA Suomi-NPPなどの複数の衛星からのデータを使用して煙を監視しています。 ^[36]また、エアロゾルロボットネットワーク（ AERONET）^[37]などの現場監視や、オイラーおよびラグランジュアプローチによるTerra多角度画像分光放射計（MISR）、雲‐エアロゾルライダー、赤外線パスファインダー衛星観測（CALIPSO）などの放射測定を使用しています。^[38] 2000年代以降、ハイブリッド単一粒子ラグランジュ積分軌道モデル（HYSPLIT）は、気団、塵の拡散および沈着の逆軌道を追跡するために使用できます。

サハラ砂漠の砂塵は対流圏を通って長距離を移動する。サハラ砂漠の砂塵の軌道は3つのカテゴリーに分けられる。^[2]西向きの軌道は大西洋横断輸送とも呼ばれ、ギニア湾、^[39]カリブ海、アメリカ合衆国、南米に到達します。^{[38] [40]}北向きの軌道は地中海と南ヨーロッパに向かい、時にはさらに北のスカンジナビアまで延びることもあります。^{[8]最後の軌道は東地中海と}中東に向かう東向きの軌道です。 ^{[41]さらに、サハラ砂漠の砂塵は東向きの軌道を経由して大陸横断輸送され、}日本に到達することもあります。この場合、砂塵粒子の約50%はサハラ砂漠の砂塵に由来します。^[9]これらの軌道からの砂塵の沈着量は、大西洋で170 Tg/年、地中海で25 Tg/年、カリブ海で5 Tg/年と推定されています。^[35]

サハラ砂漠の砂塵が地球上のシステムに影響を与えるには、まず空気中に浮遊してサハラ砂漠を離れなければなりません。ボデレ低地はサハラ砂漠の砂塵形成の最も重要な場所の 1 つです。 [ ^{42 ]}この低地は乾燥した湖底で構成されており、現在は砂丘に覆われています。 [43]この地域を 6 ～ 16 m/s の速度で移動する風が緩い堆積物を巻き上げ、砂塵をサハラ砂漠から運び去ります。^[44]風速が速いほど、この地域では大規模な砂塵現象が発生する傾向があります。^[44]この地域からの砂塵の発生は春から秋にかけて最も多くなります。^[44]

西向きの軌道は大西洋横断輸送と呼ばれ、大西洋を通ってサハラダストが西に拡散するものである。西向きの軌道は最も量が多く、年間のサハラダスト総量の30～60%を占め、ダストの60%をギニア湾に、28%を大西洋に供給している。^[46]この軌道は北半球の冬と夏に発生する。北半球の冬季は11月下旬から3月中旬までで、この時期に西風が北東貿易風（ハルマッタンの季節）に変わる。^{[47]この軌道は主に}熱帯収束帯（ITCZ）の影響を強く受け、モンスーンの流れにつながり、サハラダストの煙を巻き上げる結果となる。^[46]この対流により、この風はサハラ砂漠の砂塵をギニア湾に運び、その周辺地域に濃い霧を発生させます。^[39]その後、夏には風向きが西に変わり、サハラダストを大西洋に向かって運びます。この地域の大気層はサハラ空気層と呼ばれ、この季節は通常乾燥して暑いです。この風はサハラダストを南アメリカに運び、アマゾン川流域まで続きます。^[48]さらに、この季節のピークである7月から8月には、サハラ砂漠西部の砂塵がカリブ海諸島とアメリカ合衆国に直接運ばれます。^{[40]サハラダストが}カリブ海に到達するまでに約5～7日かかりますが、気候とサハラダストの煙の規模に応じて、さらに最大10日間運ばれることがあります。^[2] 2020年6月25日、NASAは、大西洋上空に「ゴジラのダストプルーム」^[49]と呼ばれる巨大なサハラダストエアロゾルブランケットが出現したと報告しました。これは、2020年6月15日から25日にかけて大西洋を5,000マイルにわたって広がりました。これは、過去50～60年間で最大のプルームとして報告されました。^[50]

北向きの軌道は、サハラダストを地中海盆地、さらには南ヨーロッパに運ぶ南風と相関している。この風はシロッコと呼ばれ、サハラ砂漠を起源とする南風で、秋から春にかけてよく発生する。この軌道は3月と11月にピークに達し、サハラダストは南ヨーロッパまで到達することがある。^[52]しかし、雨が降ると、砂塵はすぐに地中海盆地に堆積する。年間を通じて、地中海全体でサハラダストの拡散が最も少ない月は12月である。

東向きの軌道はサハラ砂漠東部から始まり、北向きの軌道から拡大します。北向きの軌道からの上昇は、主に地中海を東に横切って移動する、またはサハラ砂漠北部で発生して北東に移動する総観前線システムの前方で南風が発生することに関連しています。^[53]この現象は通常春に発生し、地中海中央部に到達して中東に向かって移動するには2〜4日かかります。^[2]

大陸横断軌道とは、サハラ砂漠の砂塵がアジア上空を通過し、その終点が日本である動きを指す。日本での黄砂現象は「黄砂」（日本語で風成塵を意味する）と名付けられ、かつては中国とモンゴルの乾燥地帯から発生する砂塵と相関関係にあった。^[54]しかし、2003年3月には、中国とモンゴルでも黄砂と砂塵との相関関係は見られなかった。砂塵はサハラ砂漠の砂塵から来て、日本に到達するまで9～10日かかったと報告されている。^[9]

サハラ砂漠の砂塵が海洋生態系にもたらす栄養素は、一次生産にとって重要である。鉄は、植物プランクトンなどの海洋一次生産者の光合成に必要な微量栄養素である。大西洋の一部では、溶解した鉄が植物プランクトンの光合成量を制限していると考えられている。海面に運ばれる砂塵のほとんどでは鉄は溶けず、生物は鉄を光合成に利用できるようにするためにリガンドと呼ばれる有機分子を必要とする。^[7]

大西洋の一次生産者の1つのグループは、ジアゾ栄養生物と呼ばれています。ジアゾ栄養生物は窒素固定を行うため、微量栄養素である鉄の需要が高まります^[15 ]。また、窒素固定に必要な窒素固定酵素であるニトロゲナーゼには鉄が含まれています^{[16] 。}

大西洋にサハラ砂漠の鉱物ダストが存在すると、太陽放射が減衰し、海面に到達する短波放射の量が減少し、海面温度（SST）が下がる可能性があります。^[55]これは、北大西洋の夏のSSTの年次変動の最大35％を説明することが示されている。^[56]サハラ砂漠の空気層（SAL）の濃度が高くなると、熱帯収束帯（ITCZ）が北に数度移動し、熱帯大西洋北部に降水量が増えることにも関連している。^[57]

砂塵の存在がSSTの変動の多くを制御しているため、主要な海洋循環パターンも砂塵の蓄積の影響を受ける可能性があります。^{[58] SSTの低下は}海洋の成層の安定性を崩し、垂直混合を促進し、より大きな地衡流場の挙動に影響を及ぼす可能性があります。サハラダストは大西洋盆地の東側で発生するため、ここは短波放射フラックスが最も減少する場所であり、最大の異常海洋状態の発生源です。これらの異常はゆっくりと盆地を西に移流し、盆地規模の帯状圧力勾配をもたらし、盆地全体の循環をさらに変化させます。^[58]これらの環流と盆地循環の影響は数年の規模で発生し^[58]、大規模な砂塵嵐イベントは数年後に循環に影響を及ぼす可能性があります。

ヨーロッパには砂塵の発生源はないが、ヨーロッパのさまざまな地域で砂漠の砂塵が時折発見されている。^{[59] [60]}地中海地域における砂漠の砂塵の輸送は、アフリカからの砂塵発生源の季節変動と大気循環の季節変化に依存する（前の「サハラ砂漠の砂塵の軌道」のセクションを参照）。

アフリカから北イタリアへの塵の輸送の証拠は、地殻元素濃度（Al、Si、Ti、K、Fe、Caなど）の大幅な増加により、粒子状物質の組成が大きく変化したことを示しているが、人為的元素の濃度は一定のままである。^[61]サハラ砂漠の塵は、北大西洋と地中海上の大気エアロゾルの主な発生源であり、地中海盆地への最も重要な堆積物供給源である。^{[10]これらのエアロゾルは、栄養素と}クロロフィルの少ない水にマクロおよびミクロ栄養素を供給する上で重要な役割を果たし、一次生産を促進し、細菌プランクトン群集構造に影響を与える。^[62]東地中海は極めて貧栄養であり^[63]、砂漠の塵の影響を大きく受けている。過去10年間、東地中海での気温の上昇と降水量の減少により土壌が乾燥し、^[64]塵の放出が増加している。気候変動により、このプロセスは将来も継続し、貧栄養水に微量栄養素と大量栄養素がさらに供給されることが予想されます。^[65]

世界に残る熱帯雨林の約半分を占めるアマゾン熱帯雨林の本拠地であるアマゾン盆地の土壌の大部分はリンが欠乏している。 ^[66]しかし、研究によると、樹木の成長に関してはリンがアマゾン盆地の主要な肥沃度要因であることが判明しており、^[67]リン欠乏は樹木の成長を制限する可能性がある。アマゾン盆地の土壌内のリンの推定回転率をサハラ砂漠の塵埃からのリンの沈着率と比較すると、アマゾン熱帯雨林の長期的な健全性と生産性はサハラ砂漠の塵埃からのリンの供給に依存していることが示されている。^[68]サハラ砂漠の塵埃による大気からアマゾン盆地へのリン沈着の相対量は、生物起源のエアロゾルや煙粒子などの非塵埃源と比較すると比較的小さい（約13％）が、リンの水文学的損失に匹敵する。^[69]サハラ砂漠の塵からのリンの流入がなければ、この水文学的損失により、最終的にはアマゾン川流域のリン含有量が枯渇する可能性があります。^[69]

サハラ砂漠の砂塵の放出と輸送は、発生源の天候や気候条件に敏感である。濃い砂塵の雲は海面への太陽光の露出を減らし、それによって海面加熱を減らし、気候にとって極めて重要な水蒸気と潜熱の大気と海間の移動に影響を与える。^[70]砂塵が熱帯大西洋上に浮遊すると、加熱の減少が、ソウダーノ・サヘル干ばつに関連する半球間の熱帯大西洋海面温度異常パターンに寄与する可能性がある。^[71]したがって、砂塵の増加は干ばつの長期化や激化につながる可能性がある。さらに、西アフリカの降雨量は大西洋ハリケーンの頻度や強度とよく相関しており、乾燥期にはハリケーンの活動が少ないことを示唆している。^[72]バルバドスで最も砂塵が多い年のいくつかは、エルニーニョ南方振動（ENSO）現象と一致する。^{[73]しかし、}地球温暖化がサハラ砂漠の砂塵放出にどのような影響を与えるか はまだ未解決の問題である。

サハラ砂漠の砂嵐は、さまざまな地元の微生物を含む粒子状物質を大陸規模で運び、最終的にはそれらの微生物が本来生息していない場所に堆積させる可能性があります。 ^[17]研究によると、微生物群集のかなりの部分がこれらの砂嵐で長距離輸送される可能性があります。^{[17] [74]}これらの微生物群集はストレス耐性が高く、破壊的な真菌や細菌の病原体を含む可能性があります。^[17]アフリカ内では、砂嵐の発生源から数千キロ離れた場所でも、サハラ砂漠の砂塵の高濃度は、喘息、気管支炎、髄膜炎、急性呼吸器感染症の症例の増加と相関しています。^[74]

サハラ砂漠の砂塵は海洋や陸地を肥沃にする可能性があるが、有機物と混ざったこの砂漠の砂塵に人間がさらされると、肺の感染症を引き起こす可能性がある。^[12]研究では、サハラ砂漠の砂塵には有毒な生物学的アレルゲンや刺激物が含まれている可能性があることが示されている。 ^[13]また、砂塵に含まれる非生物学的化合物が、呼吸器系（喘息、気管炎、肺炎、アレルギー性鼻炎、珪肺など）、心血管系（脳卒中など）、心肺疾患などの健康への悪影響を及ぼす可能性もある。さらに、結膜炎、皮膚炎、髄膜炎菌性疾患、コクシジオイデス症は砂塵嵐に関連していることがわかっている。^[14]長期間にわたり、一部の地域では砂塵濃度が世界保健機関が推奨する最大レベルの数倍を超える。^[75]粒子状物質（PM）の濃度も、人間の健康や早期の生命を脅かす危険なレベルまで上昇する。 PM への曝露は、母親の曝露を通じて、または新生児の呼吸器疾患や心血管疾患のリスク増加を通じて、新生児死亡を引き起こす可能性があります。

• カリマ（サハラ砂漠の砂）