東京大学理学部 地球惑星物理学科

海洋大循環

地球を巡る怒濤の流れ。その原因は何だろうか

[ 風成循環 ]　[ 熱塩循環 ]

■ 風成循環

全世界の海流分布図を見ると、海の流れが太平洋・大西洋・インド洋の各大洋の中で一巡りして閉じる複数の大きな循環で構成されていることがわかります。 また、この循環のパターンが海上を吹く風の分布とよく対応しているのもわかります。 例えば北太平洋には、低緯度の貿易風帯と中緯度の偏西風帯に挟まれて亜熱帯循環とよばれる時計方向に回る循環と、偏西風帯より北側には亜寒帯循環とよばれる半時計回りの循環とが存在します。 日本の太平洋沖を流れる黒潮や親潮はその流速が秒速1ｍを超える強い海流ですが、それぞれ亜熱帯循環と亜寒帯循環の西端の一部分を見ている訳です。 このような海洋大循環のことを「風成循環」と呼びます。 文字通り、海上を吹く風の力が成因となって生じる循環であり、海洋の表層から深さ数百ｍ位までの運動はこの風成循環によって支配されています。

では、この海洋の風成大循環はどの様な仕組みで駆動されているのでしょうか？ おそらく大部分の人が、この循環が偏西風や貿易風によって海水が風下方向に押し流されることで形成されると考えると思います。 しかしこれは大きな誤解です。 現実には直感に反して、海上を吹く風によって表層の海水は風向きと直交する方向に流れていくのです。 この不思議な振る舞いは我々が自転する地球にのって海洋の運動を見ていることに起因するもので、「コリオリ効果」と呼ばれます。 この効果は天気図の中にも見ることができます。 大気の運動も海洋と同じくコリオリ効果の影響を受けています。天気図を見ると、大気が等圧線に沿って流れているのがわかります。 しかし、このときに大気は流れの方向には力を受けておらず、実際には気圧の高いところから低いところに向かって等圧線に直交する方向すなわち流れに直交する方向に力（「圧力傾度力」）を受けています。 この様に、コリオリ効果によって、海洋や大気は作用する力の方向に対して北半球では直角右方向、南半球では直角左方向に流れるような性質をもっています（注意：海洋・大気中に生じる全ての運動がこの様に振る舞う訳ではありません。 コリオリ効果が発揮されるのは、一般に時間スケールが一日よりも十分に長いような運動に限られます。 また、赤道上ではコリオリ効果が働かないために、赤道帯に生じる運動も例外となります）。

このコリオリ効果を考慮して、風成循環が駆動される仕組みを考えてみましょう。 例として北半球の亜熱帯循環を考えます。 まず、亜熱帯領域の北側を東向きに吹く偏西風によって、表層付近の海水はコリオリ効果により南向きに輸送されます。 一方、南側の貿易風によって表層海水が北向きに輸送されます。 その結果、表層海水が亜熱帯領域の中央部分に集まるので、そこの海面が盛り上がります。 海面が盛り上がると海面下の圧力が増加するので、亜熱帯領域の海洋内部には中央から外側に向かって圧力傾度力が生じます。 結局、この圧力傾度力が風成循環を直接的に駆動する力となります。 すなわち、天気図の中にも見られるように、圧力傾度力とコリオリ効果によって海洋内部には圧力が高い中央部分を常に右に見る流れが生じ、この流れが時計回りに一巡することで亜熱帯循環が形成されます。 この様に、風成循環の形成にはコリオリ効果が本質的に重要な役割を果たします。

海洋の風成循環は、さらに上述の仕組みでは説明できない重要な特徴を持っています。 全世界の海流分布図を眺めると、北太平洋の黒潮や親潮、北大西洋の湾流、南太平洋の東オーストラリア海流など、特に強い海流が各大洋の西側に偏って存在していることがわかります。 この強い海流を総称して「西岸強化流」と呼びます。 上述の説明では風成循環が示すこのような著しい東西非対称性の原因を説明することができません。 その根本的な原因は、地球が丸いためにコリオリ効果が高緯度に向かうほど増大することにあります。 これを「ベータ効果」と呼びます。
詳しい説明はできませんが、このベータ効果によって「ロスビー波」と呼ばれる西向き方向のみに伝播する特異な性質をもつ波が発生します。西岸強化流は、ロスビー波によって風成循環の中央の海面の盛り上がりが西側に移動させられることによって形成されます。

現実の海洋は、上述の風成循環のパターンの上に重なって「中規模渦」とよばれる直径数十～数百kmの渦が満ちており非常に乱れた状態にあります。 現在では、スーパーコンピュータを使った数値シミュレーションによって、そのような時空間的変動に富んだ現実の海洋循環場をかなり精度よく再現できるようになっています。 しかしながら、風成循環と中規模渦とがお互いに影響を及ぼしながら共存している状態について、その物理の本質的理解はほとんど進んでいません。 その他に、風成循環に関する問題で日本に特に関わり深いものとして、黒潮の流路変動の問題があります。 黒潮の安定な流路には、大別して日本列島に沿って直線的に流れるものと、紀伊半島や伊豆半島沖で大きく南に蛇行するものとがあります。 黒潮はこの直線流路と蛇行流路のあいだをおおよそ数年単位で不定期に移り変わり、それにともない日本の沿岸気候や漁業環境に大きな影響をあたえます。 しかしながら、黒潮の流路変動の発生する切っ掛けや力学機構について、今まで数多くの研究がなされてきましたが未だ完全な理解は得られていません。

■ 熱塩循環

風成循環の影響がおよぶのはせいぜい水深千数百ｍより浅い部分に限られます。 それ以下の深層領域には別の種類の海洋大循環が存在します。 「熱塩循環」と呼ばれるもので、この循環は海水密度の海域による違いが原因で生じます。 高緯度域の表層水は大気から強い冷却を受けるために密度が増加して沈降します。 熱塩循環とは、深層まで沈降した表層水がそれまで深層にいた海水を押しのけながら全海洋の深層を巡っていくものです。