古代の地下水。あなたが飲んでいる水が数千年前のものかもしれない理由:アリゾナ州とネバダ州の干ばつ

古代の地下水。あなたが飲んでいる水が数千年前のものかもしれない理由 地球

著者情報:Marissa Grunes氏, ハーバード大学環境研究員、Alan Seltzer氏, ウッズホール海洋研究所 海洋化学・地球化学部門アシスタントサイエンティスト、Kevin M. Befus氏, アーカンソー大学 水文地質学助教授

コロラド川に依存している地域は、水の危機に直面しています。

コロラド川最大の貯水池であるミード湖は、約1世紀前にフーバーダムが建設されて以来、見たことのないレベルにまで落ち込んでいます。

アリゾナ州とネバダ州は史上初の水量不足に直面しており、一方でコロラド川の水力発電所を稼働させるために他の貯水池から水を放出しています。

コロラド川やその貯水池でさえ、気候変動による暑さや干ばつの影響を免れないとしたら、西部はどこから水を得るのでしょうか。

その答えは、地下にあります。

気温の上昇や干ばつによって河川が干上がり、山の氷河が溶けてしまうと、人々はますます足元の水に頼るようになります。

現在、地下水資源は、世界人口の約半分に飲料水を供給し、世界の灌漑用水の約40%を占めています。

しかし、多くの人々は、これらの水がどれほど古く、どれほど脆弱なものであるかを知りません。

地下に貯留されている水のほとんどは、数十年前から存在しており、その多くは数百年、数千年、数百万年前から存在しています。

古い地下水は地下深くに存在する傾向があり、干ばつや汚染などの地上の状況からの影響を受けにくいのです。

都市開発や人口増加、気候変動などの圧力で浅い井戸が枯渇するにつれ、古い地下水の重要性が高まっています。

古代の地下水を飲む

1,000年前のパンをかじったら、きっと気づくでしょう。

1,000年前から地下に埋まっている水は、味も違います。

地下水は、周囲の岩石から天然の化学物質が溶出し、ミネラル分が変化しています。

地下水の年代に関連する天然の汚染物質の中には、気分を高揚させるリチウムのように、ポジティブな効果をもたらすものもあります。

一方、鉄やマンガンなどの汚染物質は厄介なものです。

また、古い地下水は塩分が多く、コストのかかる処理をしないと飲めないこともあります。

この問題は、海岸近くではさらに悪化します。

過剰な汲み上げは、帯水層に海水を引き込む空間を作り、飲料水を汚染します。

異なる層を通る地下水の流れのタイムスケール。

異なる層を通る地下水の流れのタイムスケール。©USGS/Public Domain

古代の地下水は、自然に補給されるまでに何千年もかかることがあります。

また、カリフォルニア州が2011年から2017年にかけての干ばつで経験したように、天然の地下貯蔵庫は空になると圧縮されるため、以前の容量まで再注入することができません。

この圧縮により、上にある土地に亀裂が入り、地盤沈下します。

しかし、干ばつによって地表水が枯渇し、農場では地下水への依存度が高まっているため、西部ではより深い井戸を掘るようになっています。

水が「古い」とはどういうことか

水が「古い」とはどういうことでしょうか。

米国の地下水の平均ターンオーバー時間。西部の帯水層は、アメリカで最もターンオーバーに時間がかかると言われています。ターンオーバーとは、地下水が自然に補給されることを言います。 ©Alan Seltzer, based on data from Befus et al 2017, CC BY-ND

15,000年前のカリフォルニア中央部の雨嵐を想像してみましょう。

嵐が現在のサンフランシスコ上空を通過すると、雨のほとんどは太平洋に落ち、やがて蒸発して大気中に戻ります。

しかし、一部の雨は川や湖、陸地にも降っています。

その雨が土の層を伝って、ゆっくりと流れる地下水の「流路」に入ります。

その中には、地下数百メートルの岩盤の隙間に水が溜まるような深い道もあります。

これらの地下水は、少なくとも人間の生活に関連した時間軸では、活発な水循環から切り離された状態にあると言えます。

カリフォルニア州の乾燥したセントラルバレーでは、アクセス可能な古代の水の多くは、主に農業のために地中から汲み上げられています。

本来であれば数千年単位で補充されるはずの水が、農業による浸透によって部分的に新しい、しかも汚染された水として帯水層に補充されています。

実際、フレズノ1カリフォルニア州の都市のような場所では、「管理された帯水層の再注入」として知られるプロセスで、きれいな水(処理された廃水や雨水など)で帯水層を積極的に再注入しています。

2014年、カリフォルニア州は、史上最悪の干ばつの最中に、地元の地下水持続可能性計画を義務付ける法律を西部の州としては最後に成立させました。

地下水は熱波や気候変動に強いかもしれませんが、全部使ってしまうと大変なことになります。

水需要への対応策としては、もっと深く掘ればいいのです。

しかし、この方法は持続可能ではありません。

まず、コストがかかります。

大規模な農業会社やリチウム鉱山会社は、十分な深さまで掘削する余裕のある投資家ですが、小規模な農村地域ではそうはいきません。

第2に、一度太古の地下水を汲み上げると、帯水層は再注入に時間がかかります。

流路が分断され、泉や湿地、川への天然水の供給が妨げられる可能性があります。

一方で、地下の圧力変化は地球を不安定にし、土地の沈下や地震の原因にもなります。

3つ目は、汚染です。

ミネラル豊富な古代の深層地下水は、浅い地下水に比べてきれいで安全に飲めることが多いのですが、過剰な汲み上げはそれを変えてしまいます。

水不足の地域では、深層地下水への依存度が高くなるため、過剰な汲み上げによって水位が下がり、汚染された現代の水が汲み上げられ、古い地下水と混ざることがあります。

この混合により水質が悪化し、より深い井戸が求められるようになります。

汲み上げで地下水の流れが加速させ、溶解した化学物質が井戸に送り込まれる。

汲み上げで地下水の流れが加速させ、溶解した化学物質が井戸に送り込まれる。©USGS/Public Domain

古代の地下水から気候の歴史を読み取る

古代の地下水に注目すべき理由は他にもあります。

実際の化石と同様に、非常に古い「化石水」は、過去について教えてくれます。

15,000年前の気候は現在とはかなり異なっていました。

古代の地下水に溶け込んでいた化学物質は、現在でも検出され、過去の世界への窓となっています。

溶解した化学物質の中には、地下水の年齢を示す時計のようなものがあります。

例えば、溶解した炭素14とクリプトン18の減衰速度がわかっているので、それらを測定することで、水が最後に空気と触れ合った時期を算出することができます。

1950年代以降に地下から消えた若い地下水には、人工的に作られた独特の化学的特徴があります。

それは、原爆実験で発生した高濃度のトリチウムです。

一軸性帯水層の様々な構成要素と特性

一軸性帯水層の様々な構成要素と特性。©USGS/Public Domain

その他の溶存化学物質は、小さな温度計のような役割を果たしています。

例えば、アルゴンやキセノンのような希ガスは、正確に知られた温度曲線に沿って、暖かい水よりも冷たい水に多く溶解します。

地下水が空気から遮断されると、希ガスはあまり影響を受けなくなります。

そのため、地下水が地下に浸透したときの環境条件を知ることができます。

化石の地下水に含まれる希ガスの濃度から、最終氷期の陸地の気温が最も信頼できる形で推定されています。

このような知見は、地球の平均気温が大気中の二酸化炭素の影響をどの程度受けているかなど、現代の気候に関する洞察を与えてくれます。

最近の研究では、二酸化炭素が2倍になるごとに3.4℃上昇するという結果が出ていますが、これはこの方法によるものです。

地下水の過去と未来

ニューイングランドなどの一部の地域では、利用可能な資源が枯渇する心配がほとんどないため、人々は昔から地下水を飲んできました。

定期的な降雨と、湖、川、積雪などの地表水を含む多様な水源が、地下水の代わりとなり、帯水層に新しい水を補給しています。

帯水層が需要に追いつくことができれば、水を持続的に利用することができます。

しかし、アメリカ西部では、1世紀以上にわたって管理されていない法外な水利用が行われてきたため、地下水に最も依存している地域、つまり干ばつに弱い乾燥地域では、かつて地下に存在した古代の水資源が浪費されてしまったのです。

水の使用と涵養が水循環にどのように適合するか。

水の使用と涵養が水循環にどのように適合するか。©State of California/Public Domain

この問題の有名な前例は、グレート・プレーンズ2北アメリカ大陸の中西部、ロッキー山脈の東側と中央平原の間を南北に広がる台地状の大平原。にあります。

ここでは、オガララ帯水層の古代水が、サウスダコタ州からテキサス州まで、何百万人もの人々や農場に飲料水や灌漑用水を供給しています。

もし人間がこの帯水層を干上がらせたら、自然に補充されるまでに何千年もかかるでしょう。

この帯水層は干ばつに対する重要な緩衝材であるにもかかわらず、灌漑や多量の水を必要とする農業によって、持続不可能な速度で水位が低下しています。

地球が温暖化するにつれ、古代の地下水の重要性が増しています。

台所の蛇口から流れている水も、農作物への灌漑用水も、地球の過去についての警告も、不確実な未来への備えも、すべて古代の地下水が担っているのです。La Conversation

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