エディポンプ

渦ポンピングは、海洋における中規模渦による鉛直 運動の構成要素です。これは、渦の回転強度の変化から鉛直運動が生み出される物理的メカニズムです。サイクロン（高気圧）渦は、主に湧昇（沈降）を引き起こします。これは、藻類の大量発生や炭素循環など、海洋における生物学的プロセスや生物地球化学的プロセスを促進する重要なメカニズムです。

渦には再成層化効果があり、水を異なる密度の層に組織化する傾向があります。これらの層は等密度面と呼ばれる表面によって分離されています。混合層の再成層は、「前線」としても知られる大きな水平密度勾配のある領域で最も強くなり、そこでは地衡剪断と位置エネルギーが傾圧不安定性と対称不安定性が生じるエネルギー源となります。^[2]混合層の下では、急激な密度変化の領域（または密度躍層）が上層水と下層水を分離し、垂直輸送を妨げます。

渦ポンピングは、中規模渦誘起鉛直運動の構成要素です。このような鉛直運動は、密度躍層の変形によって引き起こされます。これは、海水が時間と空間にわたって平均化された平均深度の密度面を持っていると仮定することで概念化できます。この表面は、有光層に対応する上層海洋と下層の深海を分離します。渦が通過すると、このような密度面が変形します。渦の寿命の段階に応じて、さまざまな方向に垂直な摂動が発生します。渦の寿命は、形成、進化、破壊に分けられます。渦ポンピング摂動には、次の 3 つのタイプがあります。

• サイクロン
• 高気圧
• モード水渦

モード水渦は複雑な密度構造を持っています。その形状のため、海面高度に基づく渦中心（渦の中心に焦点を合わせた）解析では、通常の高気圧と区別できません。それでも、モード水渦の有光層における渦ポンピングによる鉛直運動は、サイクロンに匹敵します。このため、渦ポンピング擾乱のサイクロンおよび高気圧のメカニズムのみが説明されています。

このメカニズムを直感的に説明すると、海面レベルに基づく渦中心解析と呼ばれます。^{[3]北半球では、低気圧性渦の反時計回りの回転により、}コリオリの力によって水平面の流れが分散し、水面が湿ります。表面高度の不均一性を補うために、等密度面が有光層に向かって隆起し、深海の栄養分に富んだ水が取り込まれることがあります。^[4]

概念的には、渦ポンピングは渦内部の鉛直運動を渦の相対渦度の時間的変化に関連付けます。^[3]渦度の変化によって生じる鉛直運動は、渦の中心部に含まれる水の特性から理解されます。低気圧性の渦は北半球（南半球）で反時計回り（時計回り）に回転し、中心部は冷たくなっています。高気圧性の渦は北半球（南半球）で時計回り（反時計回り）に回転し、中心部は暖かくなっています。渦の中心部と周囲の水との温度と塩分濃度の差が、鉛直運動を駆動する重要な要素です。水平方向に伝播する間、低気圧と高気圧は、この温度と塩分濃度の不一致によって引き起こされる密度躍層をそれぞれ上方と下方に「曲げ」ます。渦内部の密度面の垂直方向の摂動の程度（平均海洋密度面と比較）は、渦の回転強度（相対渦度）の変化によって決まります。^[5]

密度保存方程式における水平方向の移流を無視すると、渦度の変化による密度の変化は、鉛直輸送に直接関係する可能性がある。この仮定は、完全な円形の流れの変化に対応して、渦中心で鉛直運動が発生するという考えと一致している。^[6]

${\displaystyle 0={\partial \rho \over \partial t}+\nabla \cdot (\rho {\textbf {u}})\longrightarrow {\partial \rho \over \partial t}=-{\partial \over \partial \!z}\rho w}$

このようなメカニズムを通じて、渦巻きポンピングは、低気圧性の渦の中で冷たく栄養分に富んだ深層の水の湧昇と、高気圧性の渦の中で暖かく栄養分に乏しい表層の水の沈降を生み出します。

渦は運動エネルギーの散逸により時間の経過とともに弱まる。渦が形成されて強まると、上記のメカニズムが強化され、相対的な渦度の増加によって等密度面の摂動が生じ、密度躍層が変形する。一方、渦が古くなって運動エネルギーが低下すると、渦度が減少し、渦の破壊につながる。このようなプロセスは渦の形成と強化に反対し、密度躍層は渦による変形前の元の位置に戻る。つまり、密度躍層は高気圧では上昇し、低気圧では圧縮され、それぞれ湧昇と沈降につながる。^[3]

低気圧性渦と高気圧性渦の鉛直方向の動きの方向は、半球に依存しません。観測された渦の鉛直速度は、1日あたり1メートルのオーダーです。ただし、地域差があります。西境界流などの運動エネルギーが高い地域では、渦は外洋の渦よりも強い鉛直流を生成することがわかっています。^[7]

渦の鉛直運動を説明する場合、渦ポンピングは複雑なメカニズムの1つの要素にすぎないことに注意することが重要です。特に海洋と風の相互作用を考慮する場合、考慮すべきもう1つの重要な要素は、渦によって引き起こされるエクマンポンピングが果たす役割です。^[7]上記の説明のその他の限界は、傾斜した中立面に沿って移動する粒子が経験する可能性のある垂直方向の変位を無視した、摂動に対する理想化された準円形の線形動的応答によるものです。^[5]渦の鉛直運動は比較的最近の研究トピックであり、複雑さと十分な観察の欠如の両方により、理論にはまだ限界があります。それでも、上記で示したものは単純化されており、渦が生物の生産性で果たす重要な役割、および炭素循環における生物地球化学的役割を部分的に説明するのに役立ちます。

最近の調査結果によると、中規模渦は外洋におけるクロロフィル濃度の空間分布などの栄養塩輸送に重要な役割を果たしている可能性が高いことが示唆されている。 ^{[8]しかし、渦の活動の影響に関する知識の欠如は依然として顕著であり、}亜熱帯環流の一部で観測されている窒素供給による一次生産を維持するのに渦の寄与は不十分であると主張されてきた。^[9]渦が生態系を形成するメカニズムはまだ完全には解明されていないが、渦は水平プロセスと垂直プロセスの組み合わせによって栄養塩を輸送する。撹拌と捕捉は栄養塩輸送に関連し、渦ポンピング、渦誘発エクマンポンピング、および混合層深度に対する渦の影響は栄養素を変化させる。^[3]ここでは、渦ポンピングが果たす役割について説明する。

サイクロン渦のポンピングは、栄養分に富んだ水を有光層に引き上げることで、新たな一次生産を促進します。湧昇した栄養分の完全な利用は、2つの主な要因によって保証されています。第一に、生物学的吸収は、渦の平均寿命よりもはるかに短い時間スケールで発生します。第二に、栄養強化は周囲の水から隔離された渦の内部で発生するため、湧昇した栄養分が完全に消費されるまでバイオマスが蓄積されます。^[7]

渦ポンピング機構の生物学的影響の証拠は、世界中の複数の場所での観察とモデル化に基づくさまざまな出版物に掲載されています。渦中心のクロロフィル異常は、メキシコ湾流地域とブリティッシュコロンビア州西海岸沖（ハイダ渦）で観測されています。また、南極海のウェッデル・スコシア合流点、アラスカ湾北部、南シナ海、ベンガル湾、アラビア海、アルボラン海北西部などで、渦によって引き起こされる生物学的生産の増強が観測されています。^[7]サルガッソー海の渦ポンピングの推定では、窒素フラックスは0.24〜0.5でした。^{[10] [11]}これらの量は、この地域の推定と一致する新しい一次生産率を維持するのに十分であると見なされています。 ${\displaystyle {\frac {mol}{m^{2}yr}}$

より広い生態学的スケールでは、渦によって引き起こされる生産性の変動は、植物プランクトンの幼生生存と捕食者の豊富さの間のトレードオフに影響を及ぼします。これらの概念は、クロマグロ、バショウカジキ、カジキ、メカジキ、およびその他の種の幼生分布の中規模変動を部分的に説明します。成魚の分布もサイクロン渦の存在と関連しています。特に、メキシコ湾のクロマグロとクジラ目の個体数の増加、およびハワイ付近のクロカジキの個体数の増加は、サイクロン渦の活動に関連しています。このような空間パターンは、モザンビーク海峡のオオグンカンドリ、南インド洋のアホウドリ、アジサシ、ミズナギドリなど、渦の近くで見られる海鳥にも及びます。[ 3 ^]

北海は、豊富な栄養分と水の混合を促す強い北極風の組み合わせにより、 藻類の大量発生や春季の大量発生に最適な海域です。大量発生は海洋生態系の健全性を示す重要な指標です。

春の植物プランクトン大発生は、季節的な光の増加と表面近くの成層化によって引き起こされると考えられてきました。北大西洋亜極実験^[13]の最近の観察と生物物理学的モデルは、大発生はむしろ渦によって引き起こされる成層化の結果であり、季節の変化によって起こるよりも 20 ～ 30 日早く起こる可能性があることを示唆しています。これらの発見は、春の大発生に関する理解に革命をもたらしました。さらに、渦ポンピングと渦によって引き起こされるエクマン ポンピングは、大発生後期と大発生後の生物学的フィールドで優勢であることが示されています。^[14]

植物プランクトンは光合成によって炭素を吸収します。このような生物が死んで海底に沈むと、吸収した炭素は生物ポンプと呼ばれるものを通じて深海に蓄えられます。最近の研究では、炭素循環における渦巻きポンピング、さらに一般的には中規模渦の垂直運動の役割が調査されています。証拠によると、渦巻きポンピングによって引き起こされる湧昇と沈降は、海洋における炭素の貯蔵方法を形作る上で重要な役割を果たしている可能性があります。この分野の研究は最近になってようやく発展しているにもかかわらず、最初の結果では、渦巻きが海洋内部への植物プランクトンの総年間輸出量の 5% 未満を占めていることが示されています。^[15]${\displaystyle CO_{2}}$

渦は海洋におけるマイクロプラスチックの海面分布に重要な役割を果たしている。高気圧性渦は収束性があるため、栄養素、クロロフィル、動物プランクトンとともにマイクロプラスチックを海面で捕捉して輸送する。北大西洋亜熱帯環流では、低気圧性渦と高気圧性中規模渦の間のマイクロプラスチックの海面濃度を初めて直接観測したところ、後者で蓄積が増加していることが示された。^[16]マイクロプラスチックの蓄積は、生物相との相互作用を通じて環境に影響を及ぼします。最初は浮力のあるプラスチック粒子（0.01～1 mm）は、主に生物付着により気候学的混合層の深さより下に沈んでいます。生産性が非常に低い地域では、粒子は混合層の上部に留まり、春季ブルームが発生した場合にのみその下に沈むことができます。^[17]

• 藻類ブルーム- 淡水または海水系における藻類の急激な増加または蓄積
• 傾圧不安定性- 大気と海洋における根本的に重要な流体力学的不安定性
• エクマンポンプ- エクマンポンプは、エクマン輸送の構成要素であり、水の収束により沈降領域が生じる。
• ハイダ渦- ブリティッシュコロンビア州西海岸沖で冬季に発生する、断続的に時計回りに回転する海洋渦。
• 中規模海洋渦- 海洋の乱流によって生じる渦
• 春のブルーム– 典型的には早春に起こる植物プランクトンの増加