知ろう!記者に発表した最新研究

2014年12月15日発表
小さな(うず)の動きを解明(かいめい)
海の中の(ねつ)物質(ぶっしつ)を運ぶ(はたら)きに影響大(えいきょうだい)

海に無数(むすう)にある、1〜50qほどの比較(ひかく)(てき)小さな規模(きぼ)(うず)やしま模様(もよう)などを「サブメソスケール現象(げんしょう) 」と()びます。このたび、そのサブメソスケール現象が、海の中で(ねつ)物質(ぶっしつ)を運ぶ(はたら)きに大きな影響(えいきょう)(あた)えることがわかりました。

いったいどういうこと? 佐々木(ささき)英治(ひではる)博士(はかせ)最新(さいしん)研究を紹介(しょうかい)します!

サブメソスケール現象って、なに?

海の中には大小さまざまな渦やしま模様などの流れがあります。このうち、100〜300qの流れは中規模(ちゅうきぼ)の現象にあたり、「メソ(中間)スケール(規模(きぼ))現象」と()ばれます(図1)。メソスケールの大きさの(うず)は海洋の高気圧(こうきあつ)低気圧(ていきあつ)(うず)で、(ねつ)やプランクトン、栄養分(えいようぶん)といった物質(ぶっしつ)を世界中の海へ運ぶ重要(じゅうよう)(はたら)きをしています。

そのメソスケールの大きさの(うず)(たが)いにぶつかると、1〜50qほどの小さな渦やしま模様ができます。この流れを「サブメソスケール現象」と()びます。

図1 サブメソスケールやメソスケールの流れ(中規模の渦や筋 >> 中規模の渦)

図1 サブメソスケールやメソスケールの流れ

 

これまでの研究からサブメソスケール現象は、冬に多く夏に少ない季節(きせつ)変動(へんどう)報告(ほうこく)されています。理由は、冬と夏で海水の構造(こうぞう)()わるためです。

冬、(つめ)たい空気や風は海の表層(ひょうそう)()やします(図2)。()やされた海水は重いため(しず)みます。すると海水が(しず)んだ分、下層(かそう)の海水が上へ行きます。こうして垂直(すいちょく)方向に流れができて、海水がかきまぜられます。この(そう)を「 混合(こんごう)(そう)」と()び、深さは冬に数百メートルにも(たっ)します。その深い混合層の中はとても不安定(ふあんてい)で小さな渦やしま模様ができやすく、サブメソスケール現象が活発になるのです。

図2 冬のサブメソスケール現象のメカニズム(矢印内の文字:混合層の中は小さな現象ができやすい)

図2 冬のサブメソスケール現象のメカニズム

反対に夏は、海の表面は太陽光で(あたた)められます(図3)。暖かい海水は軽いため表層(ひょうそう)に、(つめ)たい海水は重いため下層(かそう)に、それぞれとどまりやすくなります。この状態(じょうたい)だと混合層は(あさ)くなります。この(あさ)い混合層の内部は,冬と(くら)べると安定していて変化(へんか)が起きにくく,サブメソスケール現象も活発ではなくなるのです。

図3 夏のサブメソスケール現象のメカニズム(矢印内の文字:混合層の中は安定している)

図3 夏のサブメソスケール現象のメカニズム

 

そこで佐々木博士が考えたのが、「サブメソスケール現象が冬に活発になるならば、その時期はメソスケール現象にも影響(えいきょう)(あた)え、さらには(ねつ)物質(ぶっしつ)を運ぶ(はたら)きにも影響(えいきょう)をおよぼすのでは」、という可能性(かのうせい)です。さらに、「将来(しょうらい)打ち上げられる人工衛星(えいせい)から、サブメソスケール現象を精度(せいど)()観測(かんそく)できるのではないか」と考えたのです。


佐々木博士が、研究に(いど)みました。

どんな研究をしたの?

研究計画の大まかな流れは、サブメソスケール現象について、1.季節(きせつ)により活発度がどう()わるのか2.より大きいメソスケール現象とはどんな関係(かんけい)なのか3.将来(しょうらい)打ち上げられる人工衛星(えいせい)精度(せいど)()観測(かんそく)できるか、を明らかにすることです。

計画1.について佐々木博士は、サブメソスケールからメソスケール、さらに大規模(だいきぼ)な現象を同時に再現(さいげん)するシミュレーションに(いど)みました。これまではコンピュータの計算能力(のうりょく)制限(せいげん)により、太平洋全体で、大小さまざまな現象を同時かつ高精度(こうせいど)ではシミュレーションできなかったのです。

今回は、シミュレーションの範囲(はんい)を広い北太平洋とし、解析(かいせき)する期間を2001年1月〜2002年12月と定めました。そして、横浜(よこはま)研究所にあるスーパーコンピュータ「地球シミュレータ」で、プログラム「OFES」を走らせました。OFESとは、コンピュータに海専用(せんよう)の計算をさせる手順書(てじゅんしょ)のようなもの。地球を細かい3q(はば)のブロックに分けて精度(せいど)を上げ、すばやく計算します(図4)。

 
図4 OFESを使ったシミュレーション

図4 OFESを使ったシミュレーション

その結果(けっか)、2001年1月〜2002年12月まで、小さな渦やしま模様から黒潮(くろしお)まで、規模(きぼ)のちがう現象を同時にシミュレーションできました(動画)。 赤は時計回(とけいまわ)り、青は反時計回(はんとけいまわ)りの流れで、(あたた)かい時計回(とけいまわ)りの渦は海面がもりあがり、(つめ)たい反時計回(はんとけいまわ)りの(うず)は海面がへこんでいます。右上は日付(ひづけ)。細かい渦やしま模様が、冬は多く夏は少なくなる季節(きせつ)変化(へんか)が見られます。

動画

季節ごとの画像が、図5です。

海の表面(図5左)を見ると、夏よりも冬の方が、細かい渦やしま模様が多く見られます。


海の中はどうなっているのか。東経(とうけい) 155度で切って横から見ました(図5右)。緑線が、混合層の (そこ)です。赤いほど上向きに強い流れ、青いほど下向きに強い流れを表します。

冬は、混合層の深さは数百mにも(たっ)していました。垂直(すいちょく)方向の流れ(青と赤の部分)は、夏より多く、混合層を()()るように活発に流れていました。


夏は、混合層の深さは数十m。垂直(すいちょく)方向の流れ(青と赤の部分)は、冬に(くら)べると少なく、混合層はほとんど()()らず活発ではありません。

図5 季節ごとに見た海の表面(左)と海の中(右)の流れ

図5 季節ごとに見た海の表面(左)と海の中(右)の流れ

 

サブメソスケール現象がどのくらい活発か知るため、流れの回転の強さと混合層の深さの季節(きせつ)変化(へんか)を調べました。その結果(けっか)、混合層が深くなると流れの回転も強くなり、混合層が(あさ)くなると回転も弱くなる傾向(けいこう)確認(かくにん)できました(図6)。

図6 流れの回転の強さと混合層の深さ(統計結果)

図6 流れの回転の強さと混合層の深さ(統計(とうけい)結果)

では、計画2.の、 サブメソスケール現象とメソスケール現象はどう関係(かんけい)しているのか。解析(かいせき)結果(けっか)図7)、半径(はんけい)が25q未満(みまん)のごく小さな渦やしま模様などは大きな規模(きぼ)の流れとぶつかると、だんだん弱まり消えることがわかりました。

反対に、25q以上(いじょう)の渦やしま模様は、メソスケール現象の(うず)などとぶつかると、取りこまれ合体し、さらに大きく活発にさせていました。その傾向(けいこう)は冬が終わっても数か月(つづ)いていました。

図7 海面の渦の変化

図7 海面の渦の変化

まとめると(図8)、黒潮(くろしお)の近くにおいてサブメソスケール現象は、混合層の深い冬に活発になりますが、冬が終わり混合層が(あさ)くなるにつれ徐々(じょじょ)(おだ)やかになります。その時には、およそ25q以上(いじょう)のたくさんの渦やしま模様に見える流れのサブメソスケール現象が、近くのものと一緒(いっしょ)になって大きく強い(うず)や流れのメソスケール現象になっていたのです。こうして小さなサブメソスケール現象が大きなメソスケール現象に()わることで、海の中の(ねつ)物質(ぶっしつ)簡単(かんたん)に運ぶことができるようになります。

図8 まとめ

図8 まとめ

そして、計画3将来(しょうらい)打ち上げられる人工衛星(えいせい)が、サブメソスケール現象を観測(かんそく)できるのか。佐々木博士はシミュレーションで計算された海面のでこぼこデータ(海面高度)から(もと)めた流速と、シミュレーションで直接(ちょくせつ)出力された流速を(くら)べました(図9)。海面には高い部分と(ひく)い部分があり、その(かたむ)きから流速を(もと)められるのです。

海面のでこぼこから(もと)めたもの(赤線)は、シミュレーションから直接(ちょくせつ)出てきたもの(黒線)とよく一致(いっち)しています。

図9 シミュレーションの海面のでこぼこから求めた流れの回転の大きさと、シミュレーションから直接でてきた出力を比較 (横軸:海面の流れの回転,黒線と赤線:流速>>流れの回転,右上のBOX内:流れの回転の大きさの変化は,海面高度から求めた流れで再現できる)

図9 シミュレーションの海面のでこぼこから求めた流れの回転の大きさと、シミュレーションから直接でてきた出力を比較(図6に追加したもの)。

この結果は、人工衛星で海面のでこぼこを高い精度で(はか)れば、サブメソスケール現象を調べられることを意味します。数年後に打ち上げられる高い技術を持った人工衛星の観測で、サブメソスケール現象がいつ、どこで、どのようになっているか精度よくわかると期待されます(図10)。

図10 海面のでこぼこデータから、流速を算出!

図10 海面のでこぼこデータから、流速を算出!

これからはどうするの?
 

この研究により、北太平洋の黒潮近くにおいてサブメソスケール現象は、海の中の熱や物質の 循環(じゅんかん)に大きな影響を与えることが明らかになりました。将来は、人工衛星による観測から、地球全体の熱や物質の循環がどう変わっていくのか、長い期間にわたり明らかにしていくことが期待されます。

佐々木博士は、「今後は、新たな技術を使って、地球の海全体をさらに長い期間でシミュレーションしたい。そしてできたデータをもとに、自分一人だけではできないことを、特に世界中の海を観測している人と協力して取り組んでいきたい」と話します。

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