粒子追跡技術

海の流れによってどのように物質が輸送されるかを計算する粒子追跡シミュレーションは1980年代に始まりました。2000年代には海洋モデルで渦解像度（数十kmスケール）の流れが計算できるようになり、海洋モデルの高解像度化と歩調を合わせて、プランクトン、魚の卵、汚染物質などの行き先を探る粒子追跡シミュレーションを用いた研究が急増しました。身近な例で言えば、海難事故の漂流者の救出にも粒子追跡シミュレーションが使われています。 JAMSTECでは2003年に開発された世界初の渦解像度モデルOFESを皮切りに、現在では500mスケールで特に沿岸部の物質輸送に重要な潮汐の影響を考慮した超高解像度海洋モデルの開発に取り組んでいます。これらの海洋モデルの流速場を用いた粒子追跡シミュレーション結果について紹介します。粒子追跡シミュレーションの目的は、どこに輸送されるかを知りたいケースと、特定の場所にいつ・どれほどの量が輸送されてくるかを知りたいケースに大別されます。前者の例として瀬戸内海を漂う海ごみがどこに集積されるかを予測した事例、後者の例としてある海底火山が噴火したら主要な港湾にいつどれほどの軽石が流れ着くかを予測した事例を紹介します。また、粒子追跡はあくまでシミュレーションであり、複数の輸送経路が予測されてもどれが真実であるかはわかりません。この問題を解決するため、漂流物に付く付着生物を使った輸送経路の絞り込みという新しい試みについても紹介します。

瀬戸内海は閉鎖性海域であるため、一度漂流した海ごみが出て行きにくいという特徴があります。海ごみは特定の地域に集まりやすいことが知られており、そのような場所で集中的にごみ回収作業を行うことは再漂流防止の観点からも海ごみ削減に有効です。そこで、どのような場所に海ごみが集積しやすいかを粒子追跡シミュレーションによって調べるとともに、その結果を底引き網によるごみ分布調査によって検証しました。

瀬戸内海は閉鎖性海域であるため、一度漂流した海ごみが出て行きにくいという特徴があります。海ごみは特定の地域に集まりやすいことが知られており、そのような場所で集中的にごみ回収作業を行うことは再漂流防止の観点からも海ごみ削減に有効です。そこで、どのような場所に海ごみが集積しやすいかを粒子追跡シミュレーションによって調べるとともに、その結果を底引き網によるごみ分布調査によって検証しました。

OBEMの漂流については以下を参照してください。

Tada, N. Nishikawa, H., Ichikawa, H., Kayama-Watanabe, H., Kuwatani, T. (2021) Drift of an ocean bottom electromagnetometer from the Bonin to Ryukyu Islands: estimation of the path and travel time by numerical tracking experiments. Earth, Planets and Space. 73: 224

カルエボシの成長と水温の関係については以下を参照してください。

Watanabe HK., Nagai, Y., Sakai, S., Kobayashi, G., Yamamori, L., Tada, N., Kuawarahi, T., Nishikawa, H., Horigome, T., Uehara, H., Yusa, Y. (2024) Heterogeneous shell growth of the neustonic goose barnacle Lepas anserifera. Marine Biology. 171: 161

活発に火山活動を続ける西之島に設置された海底電位磁力計（図1）が2019年に漂流し、2021年に西表島で見つかった。

粒子追跡実験でも西之島からの漂流物が西表島に流れ着く可能性があることが示唆された。
しかしシミュレーションでは漂流経路が複数示され（図2）、実際のところどの経路だったかを、我々は知ることができない。これは多くの粒子追跡シミュレーションに共通する課題である。

そこで
・粒子追跡シミュレーションでは漂流経路に沿った水温変化も推定できる（図3）
・漂流物にはしばしばカルエボシという付着生物が着く（図4）
ことに注目し、カルエボシの殻を使って漂流中の水温を復元し、漂流経路を推定する研究を行っている。