熱輸送と大気大循環

大気と海洋が、エネルギー豊富な熱帯から極域へと熱をどのように移動させ、地球の風帯と海流を組織化しているか。

Definition

子午面熱輸送とは、大気と海洋によって運ばれる正味の極向きのエネルギーフラックスであり、大気大循環とは、とりわけこの輸送を達成する惑星規模の風と海流のシステムを指します。

Scope

このトピックでは、放射の緯度不均衡を補償する極向きのエネルギー輸送と、それを達成する循環システム、すなわち熱帯のハドレー循環、中緯度の渦とジェット気流、そして風成および熱塩海洋循環について扱います。各要素がどれだけの熱を輸送するか、大気と海洋間の配分が緯度によってどのように変化するか、そして大気大循環が気候帯の広範なパターンをどのように設定するかについて論じます。

Core questions

• 気候システムはなぜ熱を極向きに輸送する必要があるのか？
• 輸送はどのように大気と海洋に分担されているのか？
• 異なる緯度でエネルギーを運ぶ循環システムは何か？
• 熱輸送は気候帯の分布をどのように形成するのか？

Key theories

放射不均衡と必要な輸送

熱帯は放射するよりも多くの太陽エネルギーを吸収し、高緯度は吸収するよりも多くを放射するため、気候システムはエネルギーを極向きに輸送する必要があり、必要な総量は放射収支によって決定されます。

大気と海洋間の配分

大気は渦とハドレー循環を通じて中緯度での極向き輸送を支配する一方、海洋は風成および熱塩循環を通じて熱帯で大きな割合を担います。

Mechanisms

熱帯における吸収太陽エネルギーの余剰と高緯度における不足は、循環を駆動する温度勾配を生み出します。ハドレー循環は熱帯からエネルギーを運び出し、傾圧渦とジェット気流は中緯度を横断してそれを輸送し、海洋循環は暖かい水を極向きに、冷たい水を赤道向きに移動させ、これらが協力して高緯度における放射不足を補償するために必要な熱を供給します。

Clinical relevance

熱輸送は、赤道と極間の温度差、および暴風経路と乾燥帯の位置を決定するため、温暖化に伴うその変化は、地域の気候と異常気象を再形成する可能性があります。

History

大気大循環の理解は、ハドレーとフェレルの転倒循環の概念から、スター、ローレンツらの研究を通じて、中緯度渦が大気熱輸送を支配するという20世紀半ばの認識へと進展しました。その後、衛星放射データと海洋観測によって、大気と海洋間の配分が定量化されました。

Debates

熱帯熱輸送における大気と海洋の分担

極向きエネルギー輸送、特に熱帯における海洋の相対的寄与は、直接的な海洋観測と放射収支残差の改善に伴い、より詳細に解明されてきました。

Key figures

• Abraham Oort
• Kevin Trenberth
• Edward Lorenz
• Victor Starr

Seminal works

• peixotooort1992
• trenberthcaron2001

Frequently asked questions

なぜ気候は熱を輸送する必要があるのですか？

熱帯は放出するよりもはるかに多くの日射を吸収し、極域は吸収するよりも多くを放出するため、極向きの輸送がなければ熱帯は暖まり続け、極域は冷え続けることになります。

海洋と大気のどちらがより多くの熱を極向きに運びますか？

大気は中緯度および高緯度でほとんどの熱を運びますが、海洋は熱帯で同等かそれ以上の割合を担います。