潮汐混合が制御する太平洋深層の循環と水塊年齢

2013年9月10日

岡　顕（東京大学大気海洋研究所）
丹羽淑博（東京大学大学院理学系研究科）

海のコンベアベルトとも呼ばれる海洋深層循環は、数百～数千年の時間スケールで引き起こされる気候変動の鍵となります。太平洋は海洋深層循環の上昇域にあたり、その深層には地球の気候を決めるうえで重要となる熱や炭素が多く蓄えられており、その分布は海水の水塊年齢分布と密接に関係しています。太平洋深層には、世界中の海のなかでも最も古い水塊年齢をもつ海水が存在しますが、これまでの海洋大循環モデルではその分布の再現性に問題がありました。
東京大学大気海洋研究所の岡顕講師と理学系研究科の丹羽淑博特任准教授は、海洋大循環モデルによる数値シミュレーションにより、太平洋における海洋深層循環の強さを制御する仕組みとして、海底から離れた場所で起こる潮汐混合が重要な役割をもつことを明らかにしました。また、これまでの海洋大循環モデルではうまく再現することができなかった太平洋深層における水塊年齢の分布を、この潮汐混合の効果を組み込むことにより、その特徴の再現にはじめて成功しました。本研究の結果は、海洋深層が大きく影響する数百～数千年の時間スケールで引き起こされる気候変動を理解するための重要なステップとなります。
これらの成果は英雑誌Nature Communications（2013年9月9日付け）に掲載されました。

プレスリリース資料

図1(1427KB)
図2(106KB)
図3(78KB)
図4(143KB)

発表のポイント：

◆太平洋深層の循環と水塊年齢（注１）の分布が、海底から離れた場所で起こる潮の満ち引きによる海水のかき混ぜ（潮汐混合）により制御されている可能性を示しました。
◆近年の研究では海底付近で起こる非常に強い潮汐混合に注目が集まっていましたが、本研究において海底から離れた場所で起こる潮汐混合の重要性が明らかになりました。
◆本研究の成果は、海洋深層が大きく影響する数百～数千年の時間スケールで引き起こされる気候変動を理解するうえで重要な意味をもちます。

発表内容：

【研究の背景】

海のコンベアベルトとも呼ばれる海洋深層循環は、海洋の表層と深層をつなぐ大規模な循環であり、千年程度の時間をかけて世界中の海を巡っています（図１）。太平洋は海洋深層循環の上昇域にあたり、その深層には地球の気候を決めるうえで重要となる熱や炭素が多く蓄えられています。これまでの研究により、大気により高緯度域で冷却、低緯度域で加熱されることが海洋深層循環の駆動力となっていることに加えて、その循環の強さを制御しているものは、海面からの熱を海洋内部に伝える仕組みとして働く鉛直混合（上と下の海水がかき混ぜられること）であることが知られています。さらに、この鉛直混合の強さを決めているものは、月や太陽が起こす潮の満ち引き（潮汐）によって生じる海水のかき混ぜ（潮汐混合）であるとの考えが注目されています。つまり、月や太陽による潮汐力が海水を動かすことにより、まずは順圧（注２）潮汐流が生じ、次にその流れが海山や海嶺（海底にある山や山脈）などにぶつかることによって傾圧（注３）潮汐流に転嫁され、さらにその傾圧潮汐流が不安定となって細かく崩れること（カスケードダウン）で乱流が生じ、鉛直混合が引き起こされることがわかってきたからです（図２左）。実際に、近年の乱流観測により、海山や海嶺などが多く存在して地形が平坦でない海底（以下、粗い海底と呼ぶ）の近くでは、他の場所に比べて非常に強い鉛直混合が生じていることが明らかになっています。

一方で、海洋深層循環を再現するために用いられる海洋大循環モデルにおいては、「鉛直拡散係数」と呼ばれるモデルパラメータ値の大きさを与えることで鉛直混合の効果を取り入れていますが、潮汐混合の複雑な空間分布は考慮せず、通常は水平的に一様な分布を仮定していました。近年の研究では、前述した粗い海底の近くで見られる非常に大きな鉛直拡散係数に着目し、潮汐モデル計算に基づいてその分布を見積もった上で、海洋大循環モデルに与えて海洋深層循環を再現する試みもなされてきています。しかしながら、太平洋における海洋深層循環の強さが過小評価されるなど、水平的に一様な鉛直拡散係数分布を用いた場合に比べて必ずしも深層における再現性が良くならないという問題がありました。

【研究方法の概要】

本研究では、まずは先行研究と同様な方法で鉛直拡散係数を見積もり、その分布を海洋大循環モデルに与える数値実験を行いました。ここでは、順圧潮汐流から傾圧潮汐流へと転嫁されるエネルギー（傾圧潮汐エネルギー転嫁率）の分布を潮汐モデルにより評価したうえで（図２右上）、その一部がすぐさま海底付近でカスケードダウンし鉛直混合を引き起こす（以下、near-field mixingと呼ぶ）と仮定して、鉛直拡散係数の全球分布を見積もります。その際、海底付近でカスケードダウンを起こさなかった残りの傾圧潮汐流は、海底から離れた場所に伝播し、いずれは海洋内部波との相互作用などを通じてカスケードダウンし鉛直混合を引き起こす（以下、far-field mixingと呼ぶ）と考えられますが、その空間分布については考慮せず、空間的に一様な鉛直拡散係数の背景値を維持するとみなします。

次に、先行研究の方法に変更を加え、far-field mixingの空間分布を考慮した新しい方法により鉛直拡散係数を見積もり、その分布を海洋大循環モデルに与えた数値実験を行いました。ここでは、far-field mixingの空間分布を評価するために、傾圧潮汐流がカスケードダウンし消散するエネルギー（傾圧潮汐エネルギー消散率）の分布（図２右下）を利用しました。この分布は、先行研究で用いられた２次元順圧潮汐モデルでは得ることができなかったものであり、傾圧潮汐流を陽に表現できる高解像度３次元潮汐モデルの結果を用いることで今回はじめてfar-field mixingの空間分布の評価に利用することができました。

さらに、水平的に一様な鉛直拡散係数を用いた海洋大循環モデルによる数値実験も行なったうえで、それらの結果を比較しました。

【結果】

Near-field mixingに着目した従来の方法で見積もった鉛直拡散係数のもとでは、先行研究と同様、太平洋における海洋深層循環の強さは過小評価となった一方、水平的に一様な鉛直拡散係数、およびfar-field mixingの空間分布を考慮した新しい方法で見積もった鉛直拡散係数のもとでは、観測からの見積もりと同程度の強さで再現されました（図３）。この結果は、太平洋における海洋深層循環の強さを制御するうえで、潮汐によるfar-field mixingが重要な役割を持つことを示しています。つまり、near-field mixingによって粗い海底付近では非常に大きな鉛直拡散係数が実現しますが、海洋深層循環の強さを制御するうえではその影響は限定的であり、海面からの熱を海洋内部へ効率的に伝えるためには、海底から離れた場所での鉛直拡散係数の値がより重要な役割をもっていると示唆されます。

さらに、海洋中の放射性炭素同位体比（Δ¹⁴C、注４）についてのシミュレーションを実施した結果、far-field mixingの空間分布を考慮した場合にのみ、太平洋深層の北東部においてΔ¹⁴Cが最小になるという観測データの特徴をうまく再現できることがわかりました（図４）。Δ¹⁴Cの値は時間とともに海中で減少するため、ある海水のもつΔ¹⁴Cの値は、その海水が海面から沈み込んだのち、海中でどの程度の時間が経過したかを表す水塊年齢の指標として利用されます。つまり、Δ¹⁴Cの値が最小となる北東太平洋深層には、世界中の海のなかでも最も古い水塊年齢をもつ海水が存在していることを意味しています。この分布は、水平的に一様な鉛直拡散係数を用いたこれまでの海洋大循環モデルではうまく再現することができませんでしたが、本研究においてfar-field mixingの効果を組み込むことによって、はじめてその特徴の再現に成功しました。

【本研究の意義と今後の展望】

水塊年齢が古い海水ほど、海洋生物ポンプ（注５）により表層から供給される栄養塩や炭素をより多く蓄えることができます。よって、水塊年齢の分布は、海洋中の炭素などのさまざまな溶存物質の分布を明らかにするうえでも重要です。本研究の結果は、潮汐混合が太平洋深層における水塊年齢の分布に大きく影響することを示したものであり、このことは、炭素や他のさまざまな海洋中の物質の循環を明らかにするうえでも潮汐混合が重要な役割を持つことを示唆するものです。また、本研究で示した潮汐混合の効果を組み込むことにより、気候モデルにおいて海洋深層をより正確に再現できることが期待されます。このことは、気候モデルにおいて、とくに数百～数千年の時間スケールで引き起こされる気候変動を精度良く再現するための重要なステップとなります。今後は、潮汐と気候変動との関わりにも着目し、さまざまな時間スケールで引き起こされる過去や未来の気候変動の理解につながる研究を進めていく予定です。

発表雑誌：

雑誌名：Nature Communications（2013年9月9日）
論文タイトル：Pacific deep circulation and ventilation controlled by tidal mixing away from the sea bottom
著者：Akira Oka* and Yoshihiro Niwa
DOI番号：DOI:10.1038/ncomms3419
アブストラクトURL：
http://www.nature.com/ncomms/2013/130909/ncomms3419/abs/ncomms3419.html

問い合わせ先：

東京大学　大気海洋研究所　講師　岡顕
Tel:04-7136-4384　E-mail: akira★aori.u-tokyo.ac.jp

東京大学　大学院理学系研究科　特任准教授　丹羽淑博
Tel:04-5841-4342　Email:niwa★eps.s.u-tokyo.ac.jp

E-mailはアドレスの「★」を「@」に変えてお送り下さい

用語解説：

（注１）水塊年齢：水塊とは、水温、塩分などが比較的一様な海水のかたまり。水塊年齢とは、その海水のかたまりが海面から沈み込んだのち、海中でどの程度の時間が経過したかを表すもの。

（注２）順圧：鉛直方向に一様であることを意味します。順圧潮汐流は、流れの向きや強さがどの深さにおいても同じになります。

（注３）傾圧：鉛直方向に一様でないことを意味します。傾圧潮汐流は、深さによって流れの向きや強さが変わります。

（注４）放射性炭素同位体比（Δ¹⁴C）：地球上の炭素には、安定同位体炭素（¹²Cと¹³C）と放射性同位体炭素（¹⁴C）とがあります。¹⁴Cは大気上層部で宇宙線により生成され、その量は放射壊変により時間とともに減少します。放射性炭素同位体比（Δ¹⁴C）は全体の炭素のうち¹⁴Cが含まれる比率を表したものです。

（注５）生物ポンプ：海洋表層に溶存している炭素や栄養塩は、植物プランクトンにより取り込まれたのち、粒子状の有機物として沈降し海洋深層で溶解します。このように生物活動を介して、海洋表層から海洋深層へと炭素や栄養塩が輸送される仕組みを「生物ポンプ」と呼びます。

添付資料：

図１：　海洋深層循環の模式図。青色が深層、赤色が表層での流れを示しています。太平洋は海洋深層循環の上昇域にあたります。

図２：　（左）潮汐流が潮汐混合へ遷移する様子を示した模式図。　（右上）傾圧潮汐エネルギー転嫁率。単位時間・単位面積あたりに、順圧潮汐流のエネルギーが傾圧潮汐流のエネルギーへと転嫁される量。　（右下）傾圧潮汐エネルギー消散率。単位時間・単位面積あたりに、傾圧潮汐流のエネルギーが消散する量。

図３：　海洋大循環モデルにより再現された太平洋での子午面流線関数。矢印は流れの方向を示しており、等値線の値が大きいほど流量が大きいことを意味しています（等値線の間隔は10⁶m³/s）。3500m以深で北向き、2000～3500mで南向きに流れる太平洋での海洋深層循環が再現されていることがわかります。

図４：　深さ3500mにおける放射性炭素同位体比（Δ¹⁴C）の分布。　等値線の値は、そこにある海水が海面から沈み込んだのち、その場所に流れ着くまでに要した時間の指標です。観測データによると、太平洋深層の北東部においてΔ¹⁴Cの値が最も小さくなっていますが、far-field mixingの空間分布を考慮した鉛直拡散分布での実験において、その分布の特徴がうまく再現されていることがわかります。