海洋環境モデリング統合学分野の活動内容（佐藤徹研究室）新しい環境の創成環境と開発を対立する二元論として捉えるのではなく、人工物システムの開発段階で、環境調和型システムを提案具体性と実現性哲学や評論ではなく、具体的な国や企業との研究プロジェクトを遂行しながら、上記を追求 AnalysisとSynthesis 物理・化学・生態・生理・社会科学的モデルを駆使して現象を解析し、さらにそれらを統合して環境影響や開発の有効性を評価研究プロジェクト例 CCS（CO2地中貯留、海洋隔離）の環境影響評価 CO2ハイドレートによる海域地中貯留法開発メタンハイドレート分解・生成モデル構築メタンハイドレート生産に伴う閉塞現象の解明バイオ燃料用の微細藻類培養フォトバイオリアクターの開発海洋・湖沼環境再生手法の提案 CCSの環境影響評価地震等により断層が出現すると地中帯水層に貯留した CO2が海底面から海水中へ気泡となって漏出するリスクがある。そこで気泡モデルと海洋モデルを組み合わせたマルチスケールモデルを用いてpH変化をを調べ生物影響を予測する。 CCSの環境影響評価 Mesoscale (Hydrostatic model) domain Small domain (Non-Hydrostatic model) 3 CO2漏洩位置・漏洩量推定シミュレーション逆解析法の一種のアジョイント法を用いて、漏洩位置や量を確率的に求める手法を開発中。赤点で漏出させた溶解CO2を青点のモニターが検知した場合の漏出位置ｓである確率。海洋汚染防止法により、CCS事業者は海中環境のモニタリングが義務付けられている。万が一、海中にCO2が漏出し、複数の定点観測点が以上を検知した際、漏出位置や漏出量を発見することは重要な課題である。実際の設定値（正解）放出位置 (i,j,k)=(48,33,7) 放出フラックス約5.00E-5[kg/sec] 計算による推定値放出位置 (i,j,k)=(48,30,6) 放出フラックス 4.89E-5[kg/sec] 4 メタンハイドレート分解・生成モデルの構築メタンハイドレート：貴重な国内エネルギー資源メタンハイドレート分解に関する物理・化学統合モデル Inlet 10 cm Sidewall Outlet 3 cm T =276.15K, f eq =3.54MPa 6.0E-04 Kim' Model 5.0E-04 New Model 2 Flux (mole/s.m ) Sidewall 1 cm 分解モデルを物理化学的に正しくモデル化し、それを数値解析法に導入、計算結果と実験結果を比較することでモデル係数を求めた。 4.0E-04 Exp 3.0E-04 2.0E-04 1.0E-04 0.0E+00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Δf (MPa) 0.7 0.8 0.9 1 メタンハイドレート生成による浸透率低下 MH存在形態と浸透率直径200μmのガラスビーズが入った微小スケール計算領域にメタンガスと水を充填。ハイドレート生成モデルを用いて計算領域内にハイドレートを生成させ、発生した熱量を出力砂層中ハイドレート生成シミュレーションメタンハイドレート生産に伴う閉塞現象の解明 砂泥互層界面における泥層浸食砂粒子砂層泥層 O(10-4~10-5) m 泥層メタンハイドレート生産に伴う閉塞現象の解明 ○砂泥互層界面の浸食実験とシミュレーション実験用コア（上部が砂層、下部が泥層）泥層表面でのせん断応力分布せん断応力分布のヒストグラム（赤枠：臨界せん断応力以上になり浸食される泥層表面積）メタンハイドレート生産に伴う閉塞現象の解明 ○泥粒子凝集体の浸食実験とシミュレーション流れの中に泥粒子凝集体を設置し、浸食の様子を可視化し、これと同じCFD計算から臨界せん断応力と浸食率を算出砂層内に砂粒子（数百μm）と同サイズの泥粒子（数μm ）の凝集体が堆積しており、これが浸食されて流出する泥粒子は電気力で凝集：表面電荷を変えた実験が必要メタンハイドレート生産に伴う閉塞現象の解明絶対浸透率砂層のCT画像気液相対浸透率砂粒の充填砂粒形状の復元砂粒形状の球面調和級数展開固液相対浸透率細粒砂閉塞微細藻類培養フォトバイオリアクターの開発微細藻類体長数～数十ミクロンほどの微小な藻類光合成を行う様々な付加価値を持つ有用藻類の発見→大きな可能性微細藻類の種類用途クロレラ健康食品ナンノクロロプシス不飽和脂肪酸EPA ボツリオコッカスバイオマス燃料スピルニナビタミン12 イソクリセス DHA ヘマトコッカスアスタキサンチン統合シミュレーション：ヴァーチャルフォトバイオリアクターの開発 Light z 7  18 x Alga Stirred and lighted Bubble Unlighted area 流動計算から藻類の光量子受量履歴を計算光合成モデルにより、受光量履歴から藻類成長を予測検証実験大船渡湾堤防の防災と環境の両立 岩手県大船渡湾出典：国土交通省東北地方整備局  平成23年まで湾口防波堤が設置されてい。  防波堤は海水交換を阻害。成層状態を形。底層水が貧酸素水化、カキ養殖に損害  防波堤は東日本大震災時の津波で大破出典：大船渡湾水環境保全計画推進協議会大船渡湾堤防の防災と環境の両立水理歪模型実験 実験手順堤防作成・設置⇒高波発生・堤防（点Ｔ）への波到達と陸域浸水（点Ａ，Ｂ）とのタイムラグの測定・陸域（点B）での波高計測点B 点A 点B 点A 大船渡湾堤防の防災と環境の両立海洋モデルシミュレーション（図は表層水温分布）