2 水温と塩分の鉛直構造
海面付近の海水は太陽放射によって暖められ、また、風や波によってよ
く混合されている。このため、水温が高く、上下の温度差が小さい。一
方で、深海の水は一般に低温であることが多い。実は、海洋の鉛直構造
を考えるときには水温だけでなく塩分の変動にも注目する。海水の密度
は水温だけでなく、塩分によっても変化するからである。塩分は、降水
や蒸発などの影響で変動する。そこで、海水の水温と塩分に着目して海
洋の鉛直構造を論じる。
2.1
海水の塩分
海水には、塩化ナトリウム(sodium chloride)(食塩の主成分)や塩化マグネ
シウム(magnesium chloride)(にがりの主成分)などの塩(えん)が溶けてい
る。海洋学では、海水 1 kg に溶けている塩の質量[g]を塩分(salinity)として定義
するのが基本である。単位としてはパーミル‰(千分率)を用いる。ここで、
塩とは、塩化ナトリウムに限定せず、溶解している塩すべてを指す。学術研究
では、塩分の単位として psu (practical salinity unit)を用いることが多い。これ
は、電気伝導度(electorical conductivity)を測定して塩分の値に変換してもので
ある。近年では海水の塩分は電気伝導度計による測定が主流である。psu は実用
的にはパーミルと同等の単位とみなしてよい。実際の海水の塩分は 32~38 psu
程度の値を取ることが多い。なお、生理食塩水は 0.9%(=9‰)の塩化ナトリ
ウム水溶液である(ただし、濃度は重量パーセントではなく重量体積パーセン
トで定義されている)。
海水中の主要なイオン
イオン
ナトリウムイオン
マグネシウムイオン
カルシウムイオン
カリウムイオン
塩化物イオン
硫酸イオン
Na+
Mg2+
Ca2+
K+
Cl-
SO42-
存在量[g/kg]
10.8
1.3
0.4
0.4
19.4
2.7
熱帯収束帯付近や中高緯度のストームトラックのように、蒸発に比べて降水
の多い海域では、海面付近で塩分の低い水が生成されることが多い。一方、亜
熱帯高圧帯のように、降水に比べて蒸発の多い海域では、塩分の高い水が生成
されやすい。このように、現実の海洋では塩分は変動するが、上の表で示した
7
ような塩の組成はほとんど変化しない。
(CMAP データを用いて作成)
年平均した降水量
2.2 海水の密度
海水の密度は水温だけでなく、塩分にも依存する。一般に塩分が多いほど密
度は高くなる。真水と海水について、温度変化に伴う密度の変化を計算すると
以下のようになる。真水は 4℃付近で密度が最大になるが、海水は低温になるほ
ど密度が高くなる。なお、海水は塩分を含むため、凝固点降下(freezing-point
depression)により凝固点が0℃より低くなっている。平均的な塩分の海水の場
合、凝固点は-1.8℃程度である。
真水(左)と海水(35 psu)(右)の密度
大気の場合と同様、海洋物理学においては、海水の密度成層に注目すること
が多い。真水の密度はほぼ 1000 kg/m3 であり、海水の密度は 1020~1030 kg/m3
である。海水の密度は、真水と比べてせいぜい 3%程度の差しかない。このため、
海洋物理学では、密度[kg/m3]の値から 1000 を差し引いた値をσ(シグマ)と
よんで、密度の指標としている。たとえば、1025 kg/m3 であれば、σ=25 であ
る。
海水の密度は、水温と塩分の関数である。しかし、厳密にいえば、水にも圧
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縮性があるので、海水の密度は、水温、塩分と圧力の関数である。圧力変化に
伴って密度が変化するときには、大気の場合と同様に、断熱圧縮、断熱膨張に
よって水温が変化する。したがって、密度成層を考えるときには、圧力を一定
にしたうえで密度を比較しなければならない。そこで、気象学で温位を定義し
たのと同じように、海洋物理学においてもポテンシャル水温(温位)(potential
temperature)を定義する。大気においては基準となる気圧は 1000 hPa とする
ことが多いが、海洋においては海面を基準とする。ただし、水深数千メートル
の深海を除けば、断熱圧縮に伴う温度変化はわずかであり、ポテンシャル水温
は水温にほぼ等しいとみなせる。深海においては、ポテンシャル水温のほうが
水温よりも低い値をとる。下の図のように、下層のほうが水温が高くなること
があるが、そのような場合であってもポテンシャル水温は下層で低くなってい
て、密度成層が保たれている。圧力をゼロとみなして、水温(現地水温)と塩
分から算出した密度をσtと表す。一方、ポテンシャル水温と塩分から計算した
密度(断熱膨張させながら海水を海面まで持ち上げたときの水温)をσθと表し、
ポテンシャル密度(potential density)という。
(World Ocean Atlas を用いて作成)
水温とポテンシャル水温の鉛直分布の例
2.3 海水の鉛直構造と水塊
海水の水温と塩分の鉛直構造の観測例を下の図に示す。気象学で気圧座標を
用いたのと同じように、海洋物理学においても鉛直座標として圧力を用いるこ
とが多い。1 db(デシバール)=100 hPa≒1 m である。
9
海面の近くでは、海水が太陽放射によって暖められるので、水温が高い。ま
た、風や波によってよく混合されるので、上下の温度差が小さい。この層を混
合層(mixed layer)という。冬季は海上風が強いだけでなく、大気の熱交換によ
って冷却された海水が沈みこむので、混合層は厚くなる。混合層の下では深さ
とともに急激に水温が低下する。この層を水温躍層(温度躍層)(thermocline)
という。
一般に、水温が低いほうが、また、塩分が高いほうが海水の密度は大きくな
る。通常、海水が不安定成層になることはなく、密度(またはポテンシャル密
度)は下層ほど大きくなっている。以下に、黒潮続流の南側と北側での観測例
を示す。
(WindSat による観測データを用いて作成)
観測点と人工衛星によって観測された海面水温の分布(9月)
10
(アルゴフロートによる観測データを用いて作成)
水温(上)と塩分(下)の鉛直分布の観測例
(黒潮続流の南側と北側、9月)
11
上の水温、塩分の観測データから計算した密度σt
特定の水温、塩分をもった海水の集まりを水塊(water mass)という。水塊は、
気象学における気団に相当する。たとえば、上の図で、黒潮続流の南側では水
深 150~350 db 付近で水温が 17~18℃程度のほぼ一定値を示している。この層
は、冬季に北西季節風によって海面が冷やされてできた深い混合層の名残りで
ある。この海域では、冬季の活発な鉛直混合によって、このような水温、塩分
をもつ水塊が多量に生成されている。このように特に多く存在する水塊をモー
ド水(mode water)という。黒潮/黒潮続流のすぐ南側の海域で生成されるモー
ド水を亜熱帯モード水(subtropical mode water; STMW)、あるいは北太平洋亜
熱帯モード水(North Pacific subtropical mode water; NPSTMW)とよんでいる。
水塊を調べるためには、T-S ダイヤグラム(TS 図)(T-S diagram)が(TS 図)
しばしば用いられる。T-S ダイヤグラムは縦軸に水温、横軸に塩分をとり、水温
と塩分の鉛直分布をプロットしたものである。等値線は密度σの値を示してい
る。同じ水塊の海水は、鉛直方向に移動して水温や塩分の鉛直分布が変化して
も、加熱、冷却や混合が起こらなければ、T-S ダイヤグラム上でのプロファイル
は変化しない。このため、T-S ダイヤグラムは水塊の同定に用いることができる。
水塊は徐々に混合されていくが、密度成層の影響で、混合は等密度面上で進み
やすい。
12
T-S ダイヤグラムの例(黒潮続流の南側と北側、9月)
上の図では、亜表層に塩分の極大があり、中層に塩分の極小がみられる。塩分
の極大は、とくに黒潮/黒潮続流の南側で顕著であるが、これは北太平洋亜熱
帯モード水に対応している。一方、中層の塩分の極小は、北太平洋中層水(North
Pacific intermideate water; NPIW)に対応している。北太平洋中層水は、低温、
低塩分の親潮系の海水の影響を受けて生成されている。
課題 2.1 ①以下の3つの観測データについて、T-S ダイヤグラムを作成せよ。
3つの観測データそれぞれについて、水温と塩分との関係を折れ線で示し、3
つの折れ線を1枚の T-S ダイヤグラムに重ねて作図せよ。
②海面付近以外で温度の鉛直勾配が逆転している層があれば指摘せよ。さらに、
T-S ダイヤグラムを用いて、その層で密度成層がどうなっているか述べよ。
③3つの観測データは、いずれも東経 146 度付近で得られたものである。デー
タ1は、北緯 26 度付近での9月の観測データである。データ2と3のうち、一
方は、北緯 26 度付近での3月の観測データ、もう一方は、北緯 37 度付近での
9月の観測データである。T-S ダイヤグラムを用いて、データ2と3のうち、ど
ちらが北緯 26 度付近での3月の観測データであるか判定せよ。
13
データ1(北緯 26 度、9 月)
圧力
水温
塩分
[db]
[℃]
[psu]
圧力
[db]
データ2
水温
[℃]
塩分
[psu]
圧力
[db]
データ3
水温
[℃]
塩分
[psu]
9.5
29.065
34.598
9.1
23.457
34.071
10.4
22.132
34.834
19.2
29.066
34.598
19.4
23.459
34.071
19.8
22.040
34.837
39.4
27.645
34.763
39.5
19.652
34.337
40.1
21.807
34.819
59.4
24.522
34.932
59.1
16.283
34.494
60.2
21.444
34.785
99.6
21.828
34.782
99.6
14.052
34.513
100.3
20.648
34.729
149.6
19.600
34.742
139.2
12.431
34.402
150.6
19.175
34.775
199.5
18.101
34.748
199.2
8.731
33.998
200.3
18.130
34.761
249.1
17.394
34.748
248.9
6.174
33.781
250.3
17.104
34.730
299.4
16.680
34.713
299.2
5.224
33.785
300.0
16.390
34.687
349.2
15.709
34.641
349.0
5.730
33.985
350.0
15.400
34.615
399.2
14.570
34.554
399.1
4.661
33.901
400.2
13.851
34.500
449.5
13.324
34.461
449.0
4.157
33.942
450.1
12.525
34.400
498.9
11.985
34.362
499.5
3.966
34.013
499.9
11.296
34.318
598.9
8.660
34.144
549.1
4.329
34.138
599.0
8.698
34.150
699.2
6.520
34.064
599.5
4.081
34.172
699.6
6.518
34.085
799.3
5.126
34.119
749.3
3.304
34.242
800.3
5.207
34.123
899.3
4.301
34.237
898.9
3.339
34.368
897.4
4.483
34.207
(アルゴフロートによる観測データを用いて作成)
注意:上のデータは、練習問題として利用するために間引いてある。実際の鉛直分解能はこれよりも細か
い。
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2 水温と塩分の鉛直構造