塩水拒否

塩水排除は、塩水が凍るときに起こるプロセスです。塩分は水氷の結晶構造に適合しないため、塩分は排出されます。

海は塩分を含んでいるため、このプロセスは自然界において重要です。海氷の形成によって排除された塩分は周囲の海水に流れ込み、塩分濃度が高く、密度の高い塩水を作り出します。密度の高い塩水は沈み、海洋循環に影響を与えます。

水が結晶化して氷を形成し始める温度に達すると、塩分イオンは氷内の格子からはじかれ、周囲の水に押し出されるか、塩水セルと呼ばれるポケット内の氷結晶の間に閉じ込められます。一般的に、海氷の塩分濃度は、表面で0 psu 、底部で 4 psu の範囲です。 ^[1]この凍結プロセスが速く起こるほど、氷の中に残る塩水セルが多くなります。氷が臨界厚さ、およそ 15 cm に達すると、残った塩水がセルからはじかれるため、氷の周りの液体中の塩分イオン濃度が増加し始めます。 ^[1]この増加は、チャネルから氷内を流れ、かなりの塩分流を運ぶ強い対流プルームの出現に関連しています。新しく形成された氷から排出される塩水は、その下の液体領域からの比較的淡水の弱い流れに置き換えられます。新しい水は氷の細孔内で部分的に凍結し、氷の堅固さを高めます。

海氷が古くなって厚くなると、時間の経過とともに塩水が排出されるため、氷の初期の塩分濃度は低下します。^[1]海氷が古くなると、塩分が薄まり、多年氷の塩分濃度が1 PSU未満になることもあります。^[2]これは、3つの異なる方法で発生します。

• 溶質の拡散：これは、氷に閉じ込められた塩水が氷塊のより温かい端に向かって移動し始めるという事実に依存します。氷塊は水と氷の界面で最も温かいため、塩水を氷の周囲の水に押し出します。^[3]
• 重力排水：重力排水は、氷内部の塩水と氷外部の海水中の塩水の密度差による塩水の移動を伴い、これは浮力駆動対流システムの発達によって発生します。 ^[4]
• 排出：氷の熱膨張によって生じる亀裂、または新たに形成された氷の体積増加によって引き起こされる圧力による塩水の移動。^[3]

塩水排出は、地球の北極と南極の周りの海氷で発生します^{[説明が必要]}。北極海の面積は、歴史的に冬の終わりには約1400万〜1600万平方キロメートルでしたが、毎年9月には約700万平方キロメートルにまで広がりました [6]。^氷の年間増加は、海洋循環と深層水の形成に大きな役割を果たしています。新しく形成された氷の下の水の密度は、塩水排出により増加します。塩分濃度の高い水は、凍結せずに冷たくなることもあります。

北極で形成される濃い水は北大西洋深層水(NADW) と呼ばれ、南半球では南極底層水(AABW) が形成されます。塩水排出のこれら 2 つの領域は、地球上のすべての海洋の熱塩循環において重要な役割を果たしています。

海氷が凍るにつれて、海水はますます塩分を多く含み、氷を貫く狭い塩水路を通って排出される。塩水路を通って氷の底から流れ出る塩水は非常に冷たく塩分が多いため、氷の下のより暖かく新鮮な海水に沈み、プルームを形成する。プルームは氷の下の海水の凝固点よりも冷たいため、海水はプルームに触れた場所で凍結する可能性がある。プルームの縁の周りの氷が徐々に凍り、ブリニクルと呼ばれる中空のつららのような管を形成する。これらの凍った鍾乳石のような形状は初期段階ではもろいが、塩水の排出が止まると完全に凍結する可能性がある。穏やかな海では、ブリニクルは海底に達し、かなり急激に海底を凍結させる可能性がある。^[7]

深海盆は安定的に成層しているため、表層水と深海水の混合は非常にゆっくりとしか起こりません。海洋の表層水に溶解したCO _{2 は}、大気中のCO ₂の分圧とほぼ平衡状態にあります。大気中の CO ₂レベルが上昇するにつれて、海洋は大気から CO _{2 を}いくらか吸収しています。表層水が沈むと、かなりの量の CO _{2 が}大気から深海に運ばれます。これらの水は大量の CO _{2 を含むことができるため、}大気中の CO ₂濃度の上昇を遅らせ、気候変動のいくつかの側面を遅らせるのに役立っています。

気候変動は氷の融解と塩水排出にさまざまな影響を及ぼす可能性がある。これまでの研究では、氷が薄くなると断熱性が弱まり、秋から冬にかけて氷の生成量が増えると示唆されている。^[8]結果として冬季の塩水排出量が増えると、海洋の換気が促進され、暖かい大西洋水の流入が強まる。最終氷期極大期の研究では、海氷の生産量が大幅に減少し、塩水排出量が減少すると、世界の深海の成層が弱まり、浅海と大気へのCO2放出が減少し、地球規模の氷河融解が引き起こされることが示唆されている。_[ ^9]

海氷の中の生命はエネルギーを大量に消費し、分子から生物のあらゆる活動に至るまで、あらゆる階層的、組織的、生物的レベルで限界を設けています。^{[説明が必要] [9]それにもかかわらず、海氷の中にある塩水を含む隙間やポケットには、}細菌、独立栄養性および従属栄養性の原生生物、微細藻類、後生動物など、さまざまな生物が生息しています。^[10]

塩水排除は海洋循環において重要な役割を果たしている。沿岸ポリニヤでは、北極と南極の両方にわたる複数の水塊の換気の鍵となっている。沿岸ポリニヤは、氷に囲まれた開水域である。^[11]沿岸ポリニヤが塩水排除の最も活発な地域である理由は、これらの海域では沖合からの風が吹くことが多く、水が冷たい空気と直接接触するためである。^[12]これにより、熱が失われ、氷が生成されます。これらの影響を調べるためによく研究される地域の一つが、オホーツク海の沿岸ポリニヤである。オホーツク海は広くて浅い棚があり、冬の条件が厳しく、背景塩分濃度が高く、夏季のアクセスが容易なため、研究には理想的な場所となっている。^[12]オホーツク海での塩水排除の影響を調べた研究は数多く行われている。

Shcherbinaら（2003）の論文では、塩水排除の影響がよく分析されています。^[13]オホーツク海では、冬季に発生する塩水排除によって循環が駆動されています。塩水排除の典型的な例として、海水よりも70～90％淡水の海氷が発生します。その下の水は塩分が多く冷たくなり、密度が増加します。オホーツク海のこの水塊は、高密度棚水（DSW）と呼ばれます。水塊の塩分と冷たさが増すほど、密度が高くなり、他の水塊の下に沈みます。このため、DSWは水柱内で沈み始めます。その後、水塊はサハリンの海岸に沿って南に移動します。ここから水は太平洋に移動し、北太平洋中層水（NPIW）を換気します。NPIWは北太平洋で最も密度の高い水として知られており、海洋循環の重要な水塊です。

塩水の排出により、北太平洋の水深300～1,000メートルまで換気が行われていることがわかっています。一部の研究では、混合深度が2,000メートルに達することさえ示されています。^[14]水柱の混合と換気は、中層水中の酸素を補充する上で重要です。また、栄養素の湧昇にもつながり、生産性に影響を与える可能性があります。一次生産の増加は、オキアミからクジラまで、他の生物の増加につながる可能性があります。

• http://www.bbc.com/earth/story/20161219-brinicle-finger-of-death BBC による Brinicle ビデオ