海洋における混合と乱流

数センチメートル以下のスケールでの乱流は、大きな海流では達成できないことを静かに成し遂げます。それは、熱、塩分、栄養素、運動量を密度面を越えて攪拌し、最終的には海洋全体の深層循環を維持します。

Definition

海洋混合とは、熱、塩分、運動量などの特性が小規模な乱流運動によって不可逆的に輸送されることであり、乱流とは、この輸送を引き起こすカオス的で三次元的な流体運動です。

Scope

このトピックでは、風、対流、シアによる乱流の生成、表層混合層の構造と巻き込み、主に内部波の砕波によって引き起こされる内部での密度面を横切る混合（diapycnal mixing）、二重拡散プロセス、および海洋・気候モデルにおける混合のパラメーター化について扱います。

Core questions

• 表層および成層した内部で乱流を生成するプロセスは何ですか？
• 乱流は混合層の深さと特性をどのように決定しますか？
• 密度の高い深層水が表層に戻ることを可能にする密度面を横切る混合（diapycnal mixing）の速度を制御するものは何ですか？
• 未解像スケールで作用する混合を、大規模な海洋モデルでどのように表現できますか？

Key theories

シア不安定性とリチャードソン数

成層したシア流は、速度シアの不安定化効果が成層の安定化効果を上回るときに乱流となり、これは低い勾配リチャードソン数によって予測される遷移です。

深海混合のエネルギー論

観測される深層の成層と深層循環を維持するには、混合エネルギーの地球規模の供給が必要であり、その大部分は風と、粗い地形上で砕波する内部潮汐に起因します。

Mechanisms

風応力と表面冷却は、上層海洋をほぼ均質な層に混合する対流とシアを生成します。内部では、内部波が成長し、急峻化し、シア不安定性のためにリチャードソン数が十分に低くなると砕波し、密度面を横切って水を混合する乱流のパッチを生成します。この累積的な効果により、密度の高い深層水が上昇し、深層循環が完結します。

Clinical relevance

混合は、太陽光が当たる表層水への栄養素の供給、ひいては一次生産を設定し、海洋が熱と炭素を吸収する速度を制御します。また、混合は解像されるのではなくパラメーター化される必要があるため、気候予測における不確実性の最大の原因の一つです。

History

1966年のマンクの「深海レシピ」は、深層海洋の成層を維持するためにどれだけの混合が必要かという問題を提起しました。1970年代以降の微細構造測定は、トレーサー放出実験と1998年のマンク・ヴンシュのエネルギー論的枠組みによって頂点に達し、混合が地球規模の循環における中心的でエネルギーに制約された制御要因であることを確立しました。

Key figures

• Walter Munk
• Carl Wunsch
• Lewis Fry Richardson

Seminal works

• thorpe2005
• munkWunsch1998

Frequently asked questions

深海混合は気候にとってなぜ重要ですか？

混合は、冷たく密度の高い深層水がゆっくりと上昇することを可能にし、熱と炭素を再分配する地球規模の深層循環を完結させます。その速度は、海洋が気候変動をどのように緩和するかに強く影響します。

海洋混合のエネルギーはどこから来るのですか？

そのほとんどは、表面に吹く風と、粗い海底地形上で砕波する内部波を駆動する潮汐から来ており、大規模なエネルギーを小規模な乱流に変換しています。