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二回循環湖とは、表層と底層の温度差が年に2回無視できるほど小さくなり、湖の水のすべての層が垂直に循環できる淡水域である。すべての二回循環湖は、年に1回以上混合するすべての湖を含むカテゴリであるホロミクティックとも見なされる。冬の間、二回循環湖は氷の層で覆われ、表面に冷たい層、氷の下にわずかに暖かい層、さらに暖かい未凍結の底層が形成される。一方、夏には、同じ温度由来の密度差により、暖かい表層水（表層水）と冷たい底層水（下層水）が分離される。春と秋には、これらの温度差が一時的に消え、水域は上下にひっくり返って循環する。このような湖は、温暖な気候の中緯度地域でよく見られる。[1]
二回循環湖の例
混合と成層の季節的サイクル
混合（転覆）は、湖が「等温」（つまり、上から下まで同じ温度）である春と秋に典型的に発生します。このとき、湖全体の水は 4 °C（最大密度の温度）近くで、温度や密度の差がないため、湖は上から下まで容易に混合します。冬の間に 4 °C 未満にさらに冷却すると、水柱が成層化するため、二相流湖では通常、逆の温度成層化が発生し、氷の下では水は 0 °C で、その後、湖底で温度が 4 °C 近くまで上昇します。[3]
春の転倒
氷が溶けると、風によって水柱がかき混ぜられる。大きな湖では、氷が溶けるときに上層水柱が4℃以下になることが多いため、春は水柱が4℃に達するまで太陽熱対流による混合が続くのが特徴である[4] [5] 。小さな湖では、春の逆転期間は非常に短いため[6] 、春の逆転は秋の逆転よりもずっと短いことが多い。上層水柱が4℃を超えて温まると、温度成層が形成され始める。
夏の成層
夏の間、大気から湖への熱流が表層を温める。この結果、二回循環湖では強い温度成層が生じ、暖かい表層水層が冷たい下層水層から重層水層によって分離される。重層水層内にはサーモクラインがあり、これは通常、温度勾配が 1 °C/m を超える領域と定義される。[7]安定した密度勾配により、サーモクライン内での混合は抑制され、[8]溶存酸素の垂直輸送が減少する。湖が富栄養化しており、堆積物の酸素需要が高い場合、エリー湖でよく見られるように、二回循環湖の下層水層は夏の成層中に低酸素状態になることがある。
夏の成層期には、ほとんどの湖で風からのエネルギー入力により内部波が発生することが観測されています。湖が小さい場合（長さ 5 km 未満）、内部セイシュの周期はメリアンの公式によって適切に予測されます。[9]大きな湖の長周期内部波は、コリオリの力（地球の自転による）の影響を受ける可能性があります。これは、内部セイシュの周期が局所慣性周期（緯度 45 °N で 16.971 時間）に匹敵するようになったときに発生すると予想されます（コリオリのユーティリティへのリンク）。大きな湖（シムコー湖、レマン湖、ミシガン湖、オンタリオ湖など）では、観測される内部セイシュの周波数はポアンカレ波[10] [11]とケルビン波[12] [13]によって支配されています。
転倒転落
晩夏には気温が下がり、湖の表面が冷えるため、混合層が深くなり、ある時点で水柱が等温になり、一般的に溶存酸素が高くなります。秋には、風と冷たい空気の温度の組み合わせにより、水柱の混合が継続します。水は温度が 4 °C に達するまで冷え続けます。秋の逆転は、多くの場合 3 ～ 4 か月続きます。
冬の逆成層
水柱が 4°C で最大密度の温度に達した後、その後の冷却では、水の状態方程式の非線形性により、密度の低い水が生成されます。したがって、初冬は再成層化の期間です。[14]風が比較的弱い場合、または湖が深い場合は、密度の高い 4°C の水の上に浮力のある冷たい水の薄い層のみが形成され、氷が形成されると湖は「氷成層化」します。[15]湖が強風に見舞われたり浅い場合は、氷が形成される前に水柱全体が 0°C 近くまで冷却される場合があり、このような冷たい湖は「氷成湖」と呼ばれます。[15]湖に氷が形成されると、大気からの熱流はほぼ遮断され、初期の氷成層化または氷成状態がほぼ固定されます。冬の間の熱成層の発達は、冬 I と冬 II の 2 つの期間で定義されます。[16]初冬の冬 I 期間中、主な熱流束は堆積物に蓄えられた熱によるものです。この期間中、湖は下から温まり、4 °C の水の深い層を形成します。[16]晩冬には、表面の氷が溶け始め、日照時間が長くなると、氷を透過して上層水柱に浸透する太陽光が増加します。したがって、冬 II の間、主要な熱流束は上からのものとなり、温暖化により不安定な層が形成され、太陽駆動対流が発生します。[5] [17] [3]この上層水柱の混合は、プランクトンを浮遊状態に保つために重要であり、[18] [3] [19]これは、氷下の藻類ブルームのタイミングと溶存酸素レベルに影響します。[20] [3]コリオリの力は、太陽放射による加熱差による循環パターンの駆動にも重要になります。[21]湖の冬期はおそらく最も研究されていないが、[22]氷の下では化学と生物学が依然として非常に活発です。[23]
参照
参考文献
- ^ Lewis, William M. Jr. (1983). 「混合に基づく湖の改訂分類」(PDF) . Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences . 40 (10): 1779–1787. doi :10.1139/f83-207. 2009-03-06 にオリジナル(PDF)からアーカイブ。
- ^ Wells, MG, & Troy, CD (2022). 湖の表面混合層。Encyclopedia of Inland Waters (pp. 546–561)。Elsevier。https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819166-8.00126-2
- ^ abcd Yang, Bernard; Young, Joelle; Brown, Laura; Wells, Mathew (2017-12-23). 「温度と溶存酸素の高周波観測により大規模湖の氷下対流が明らかに」.地球物理学研究レター. 44 (24): 12, 218–12, 226. Bibcode :2017GeoRL..4412218Y. doi : 10.1002/2017GL075373 . ISSN 0094-8276.
- ^ Cannon, DJ; Troy, CD; Liao, Q.; Bootsma, HA (2019-06-28). 「氷のない放射対流が大きな湖で春の混合を促進する」.地球物理学研究レター. 46 (12): 6811–6820. Bibcode :2019GeoRL..46.6811C. doi :10.1029/2019gl082916. ISSN 0094-8276. S2CID 197574599.
- ^ ab Austin, Jay A. (2019-04-22). 「深湖における放射駆動対流の観測」.陸水学・海洋学. 64 (5): 2152–2160. Bibcode :2019LimOc..64.2152A. doi : 10.1002/lno.11175 . ISSN 0024-3590.
- ^ Pierson, DC; Weyhenmeyer, GA; Arvola, L.; Benson, B.; Blenckner, T.; Kratz, T.; Livingstone, DM; Markensten, H.; Marzec, G.; Pettersson, K.; Weathers, K. (2011 年 2 月)。「湖氷の季節をモニターする自動化手法」。Limnology and Oceanography: Methods . 9 (2): 74–83. Bibcode :2011LimOM...9...74P. doi : 10.4319/lom.2010.9.0074 . ISSN 1541-5856.
- ^ Gorham, Eville; Boyce, Farrell M. (1989年1月)。「湖の表面積と深さが温度成層と夏のサーモクライン深度に与える影響」。Journal of Great Lakes Research。15 ( 2): 233–245。Bibcode :1989JGLR...15..233G。doi : 10.1016/s0380-1330(89)71479-9。ISSN 0380-1330。S2CID 128748369 。
- ^ Chowdhury, Mijanur R.; Wells, Mathew G.; Cossu, Remo (2015年12月). 「シムコー湖における垂直乱流混合の変動の観察と環境への影響」. Journal of Great Lakes Research . 41 (4): 995–1009. Bibcode :2015JGLR...41..995C. doi :10.1016/j.jglr.2015.07.008. hdl : 1807/107899 . ISSN 0380-1330.
- ^ Mortimer, CH (1974年1月). 「湖の流体力学」. SIL Communications, 1953-1996 . 20 (1): 124–197. Bibcode :1974SILC...20..124M. doi :10.1080/05384680.1974.11923886. ISSN 0538-4680.
- ^ Choi, Jun; Troy, Cary D.; Hsieh, Tsung-Chan; Hawley, Nathan; McCormick, Michael J. (2012年7月). 「ミシガン湖南部における内部ポアンカレ波の1年」. Journal of Geophysical Research: Oceans . 117 (C7): n/a. Bibcode :2012JGRC..117.7014C. doi :10.1029/2012jc007984. hdl : 2027.42/95363 . ISSN 0148-0227.
- ^ Chowdhury, Mijanur R.; Wells, Mathew G.; Howell, Todd (2016年4月). 「サーモクラインの動きが、大きな湖の沿岸部における底生生物の混合に大きな変動をもたらす」.水資源研究. 52 (4): 3019–3039. Bibcode :2016WRR....52.3019C. doi :10.1002/2015wr017725. ISSN 0043-1397. S2CID 130510367.
- ^ フラッド、ブライアン; ウェルズ、マシュー; ダンロップ、エリン; ヤング、ジョエル (2019-08-14). 「内部波が大きな湖の深い沿岸湾に水を汲み上げ、排出する」.陸水学と海洋学. 65 (2): 205–223. doi : 10.1002/lno.11292 . ISSN 0024-3590.
- ^ ブファール、ダミアン、レミン、ウルリッヒ（2013年12月）。「レマン湖のケルビン波」。グレート・レイクス・リサーチ誌。39 （4）：637–645。Bibcode ： 2013JGLR ...39..637B。doi ：10.1016/ j.jglr.2013.09.005。ISSN 0380-1330 。
- ^ Farmer, David M.; Carmack, Eddy (1981年11月). 「最大密度温度付近の湖における風による混合と再成層化」. Journal of Physical Oceanography . 11 (11): 1516–1533. Bibcode :1981JPO....11.1516F. doi : 10.1175/1520-0485(1981)011<1516:wmaria>2.0.co;2 . ISSN 0022-3670.
- ^ ab Yang, Bernard; Wells, Mathew G.; McMeans, Bailey C.; Dugan, Hilary A.; Rusak, James A.; Weyhenmeyer, Gesa A.; Brentrup, Jennifer A.; Hrycik, Allison R.; Laas, Alo; Pilla, Rachel M.; Austin, Jay A. (2021). 「氷に覆われた湖の新しい温度分類」.地球物理学研究レター. 48 (3): e2020GL091374. Bibcode :2021GeoRL..4891374Y. doi :10.1029/2020GL091374. ISSN 1944-8007. S2CID 233921281.
- ^ ab キリリン、ジョージイ;レッパランタ、マッティ。テルジェヴィク、アルカディ。グラニン、ニコライ。ベルンハルト、ジュリアン。エンゲルハルト、クリストフ。エフレモワ、タチアナ。ゴロソフ、セルゲイ。パルシン、ニコライ。シャースティアンキン、パベル。ズドロヴェンノヴァ、ガリーナ (2012 年 10 月)。 「季節的に氷で覆われた湖の物理学: レビュー」。水生科学。74 (4): 659–682。Bibcode :2012AqSci..74..659K。土井：10.1007/s00027-012-0279-y。ISSN 1015-1621。S2CID 6722239。
- ^ Bouffard, Damien; Wüest, Alfred (2019-01-05). 「湖の対流」(PDF) . Annual Review of Fluid Mechanics . 51 (1): 189–215. Bibcode :2019AnRFM..51..189B. doi :10.1146/annurev-fluid-010518-040506. ISSN 0066-4189. S2CID 125132769.
- ^ケリー、ダン ・E. (1997). 「氷で覆われた湖の対流：藻類の懸濁液への影響」。プランクトン研究ジャーナル。19 ( 12 ) : 1859–1880。doi : 10.1093 /plankt/19.12.1859。ISSN 0142-7873。
- ^ ダミアン・ブファード;ズドロヴェンノバ、ガリーナ。ボグダノフ、セルゲイ。エフレモワ、タチアナ。ラヴァンシー、セバスチャン。パルシン、ニコライ。テルジェヴィク、アルカディ。ヴィンナ、ラヴ・ローマン。ヴォルコフ、セルゲイ。アルフレッド・ヴュースト。ズドロヴェンノフ、ローマン (2019-02-19)。 「北方湖における氷の下の対流ダイナミクス」。内陸水域。9 (2): 142–161。Bibcode :2019InWat...9..142B。土井: 10.1080/20442041.2018.1533356。ISSN 2044-2041。
- ^ Yang, Bernard; Wells, Mathew G.; Li, Jingzhi; Young, Joelle (2020). 「大規模湖の冬季における湖氷下の混合、成層、プランクトン：春の溶存酸素レベルへの影響」.陸水学・海洋学. 65 (11): 2713–2729. Bibcode :2020LimOc..65.2713Y. doi :10.1002/lno.11543. ISSN 1939-5590. S2CID 225490164.
- ^ Ramón, Cintia L.; Ulloa, Hugo N.; Doda, Tomy; Winters, Kraig B.; Bouffard, Damien (2021-04-07). 「海底地形と緯度が氷下の湖の温暖化を変化させる」. Hydrology and Earth System Sciences . 25 (4): 1813–1825. Bibcode :2021HESS...25.1813R. doi : 10.5194/hess-25-1813-2021 . ISSN 1027-5606.
- ^ Ozersky, Ted; Bramburger, Andrew J.; Elgin, Ashley K.; Vanderploeg, Henry A.; Wang, Jia; Austin, Jay A.; Carrick, Hunter J.; Chavarie, Louise; Depew, David C.; Fisk, Aaron T.; Hampton, Stephanie E. (2021). 「冬の変わりゆく様相：ローレンシャン五大湖から学ぶ教訓と疑問」Journal of Geophysical Research: Biogeosciences . 126 (6): e2021JG006247. Bibcode :2021JGRG..12606247O. doi : 10.1029/2021JG006247 . hdl : 2027.42/168250 . ISSN 2169-8961.
- ^ Hampton, Stephanie E.; Galloway, Aaron WE; Powers, Stephen M.; Ozersky, Ted; Woo, Kara H.; Batt, Ryan D.; Labou, Stephanie G.; O'Reilly, Catherine M.; Sharma, Sapna; Lottig, Noah R.; Stanley, Emily H. (2017). 「湖氷下の生態学」. Ecology Letters . 20 (1): 98–111. Bibcode :2017EcolL..20...98H. doi :10.1111/ele.12699. hdl : 10919/94398 . ISSN 1461-0248. PMID 27889953.
外部リンク
- 「循環：二回循環湖の年間パターン」ブリタニカ百科事典オンライン