ラングミュア循環

海洋物理学において、ラングミュア循環は、風と一直線に並ぶ海面の 浅くゆっくりとした逆回転の渦の集まりです。これらの循環は、風が海面を安定して吹くときに発生します。アーヴィング・ラングミュアは、 1927 年にサルガッソー海で海藻の列を観察した後、この現象を発見しました。 ^[1] ラングミュア循環は混合層内を循環しますが、混合層の底部でどの程度の強さで混合を引き起こすことができるかはまだ明らかではありません。 ^[2]

これらの循環の駆動力は、平均流と表面波の波平均流との相互作用である。 波のストークス漂流速度は、表面近くの流れの渦度を引き伸ばし、傾ける。上層海洋での渦度の生成は、下向きの（多くの場合乱流の）拡散によってバランスが取られる。摩擦速度によって特徴付けられる風によって駆動される流れの場合、渦度の拡散と生成の比によってラングミュア数 ^[2]が定義される。ここで、最初の定義は、振幅、周波数、波数 の単色波場に対するもので、2番目は一般的な逆長さスケール、およびストークス速度スケールを使用する。これは、ラグランジュ平均 [ ^4] の近似であるクレイク-ライボビッチ方程式^[3]によって例示される。^[5]ブシネスク近似 では、支配方程式は 次のように 表される 。${\displaystyle \nu_{T}}$${\displaystyle \tau}$ ${\displaystyle u_{*}}$ $${\displaystyle \mathrm {La} ={\sqrt {\frac {\nu _{T}^{3}k^{6}}{\sigma a^{2}u_{*}^{2}k^{4}}}}~{\text{ または }}~{\sqrt {\frac {\nu _{T}^{3}\beta ^{6}}{u_{*}^{2}S_{0}\beta ^{3}}}}}}$$${\displaystyle a}$${\displaystyle \sigma}$${\displaystyle k}$${\displaystyle \beta}$${\displaystyle S_{0}}$$${\displaystyle {\frac {\partial u_{i}}{\partial t}}+u_{j}\,\nabla _{j}u_{i}=-2\varepsilon _{ijk}\Omega _{j}(u_{k}^{s}+u_{k})-\nabla _{i}\left({\frac {P}{\rho _{0}}}+{\frac {1}{2}}u_{j}^{s}u_{j}^{s}+u_{j}^{s}u_{j}\right)+\varepsilon _{ijk}u_{j}^{s}\varepsilon _{k\ell m}\,\nabla _{\ell }u_{m}+g_{i}{\frac {\rho }{\rho _{0}}}+\nabla _{j}\nu \、\nabla _{j}u_{i}}$$ $${\displaystyle \nabla _{i}u_{i}=0}$$ $${\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}+u_{j}\,\nabla _{j}\rho =\nabla _{i}\kappa \,\nabla _{i}\rho }$$

• ${\displaystyle u_{i}}$流体の速度、
• ${\displaystyle \オメガ}$惑星の自転であり、
• ${\displaystyle u_{i}^{s}}$は表面波場のストークスドリフト速度であり、
• ${\displaystyle P}$プレッシャーは、
• ${\displaystyle g_{i}}$重力加速度は
• ${\displaystyle \rho}$密度は
• ${\displaystyle \rho_{0}}$基準密度は
• ${\displaystyle \nu}$粘度であり、
• ${\displaystyle \kappa}$拡散率です。

ラングミュアセルのスケールを制御する支配的な長さスケールが存在しない可能性がある外洋条件では、ラングミュア乱流の概念が進歩しています。^[6]

循環は北半球 では風の右方向に 0°～20° の間で観測されており^[7] 、らせん状の流れが表面で発散帯と収束帯を形成しています。収束帯では、これらの帯に沿って浮遊する海藻、泡、ゴミなどが密集しているのが一般的です。これらの発散帯では、発散流がこの帯から物質を押し出し、隣接する収束帯に流すため、海面にはゴミがほとんどありません。表面では、循環によって発散帯から収束帯への流れが生じ、これらの帯の間隔は 1～300 m (3～1,000 フィート) 程度です。収束帯の下では、下向きの流れの狭いジェットが形成され、その大きさは水平方向の流れに匹敵します。下向きの伝播は通常、数メートルまたは数十分の 1 メートルのオーダーで、密度躍層を貫通することはありません。湧昇はそれほど強くなく、発散帯の下のより広い帯で発生します。風速が2～12m/s（6.6～39.4フィート/秒）の範囲では、最大鉛直速度は2～10cm/s（0.79～3.94インチ/秒）の範囲で、流下速度と風速の比は-0.0025～-0.0085の範囲でした。 ^[8]

ラングミュア循環（LC）は上層海洋で逆回転する円筒状のロール渦であり、鉛直混合に重要な役割を果たしている。これらは一時的なもので、その強さと方向は風と波の特性によって決まるが、栄養分の混合を促進し、海洋の上層混合層のプランクトンなどの海洋生物の分布に影響を与える。 ^{[9] [10]}風によって発生するロール渦は、浮力、向き、遊泳行動の異なる生物が集まる領域を作り出し、その結果、斑状になる。 ^{[11]実際、LCは}赤潮などの発生時に藻類の著しい凝集を引き起こす可能性がある。^{[10]理論的には、}密度躍層による密度の不連続によって制限されない限り、LCのサイズは風速とともに増加する。しかし、LCの表面効果の可視性は、表面に存在する物質を拡散させる強風時の砕波によって制限される可能性がある。 ^[12]そのため、LCの表面効果は、臨界風速3m/sよりも強いが強すぎない風のときに目に見える可能性が高くなります。

さらに、これまでの研究では、LC内の収束帯の下降流、発散帯の湧昇流、LC渦内の滞留帯、湧昇帯と下降帯の間の領域など、さまざまな領域に生物や物質が集まる可能性があることが示されています。^{[13]同様に、LCはジェットのような流れのために収束帯で}風上表面流が大きくなることがわかっています。水面のこのより速く移動する収束領域は、風の方向への生物や物質の輸送を促進する可能性があります。

1927年、ラングミュアは大西洋のサルガッソー海を横断中に、整然としたサルガッソー ナタンスの列を目にした。動物や動物プランクトンのような活動的な遊泳者とは異なり、植物や植物プランクトンは通常、水中で受動的な体であり、その集合は流れの挙動によって決定される。風の列では、濃縮されたプランクトン生物が水を着色し、LCの存在を示す。風向に沿って収集されたプランクトン曳き網では、風に垂直に収集されたサンプルよりも大きな変動が観察されている。^[14]そして、そのような変動の理由の1つは、風に沿った曳き網で収束（高いサンプル）または中間（低いサンプル）ゾーンをもたらすLCによるものである可能性がある。^[15]同様に、LCのそのような収束効果は、LCを通る斜めの曳き網によるものである可能性があるタホ湖の約100メートルの高クロロフィルゾーンとしても観察されている。 ^[16]さらに、ホンダワラ類はLCの沈降流域で表面から底生生物に運ばれ、十分な時間深度に沈んだ後に浮力を失うことがある。 ^[17]通常水中に浮いているのが観察される植物の中には、LCの沈降流により強風時に水没するものがある。さらに、LCはブルーム時に正浮力の渦鞭毛藻類（有毒な赤潮生物を含む）の斑状化を引き起こす可能性がある。^[18]さらに、静水中でゆっくりと沈む負浮力の植物プランクトンが、垂直対流細胞によって生成される懸濁物によるものと考えられる有光層に保持されることが観察されている。 ^{[19] [20]}

さらに、循環が海底に達するラングミュアスーパーセルに関するより広範な研究では、グレートバハマバンクの浅瀬（約5メートル）の海底に、局所的な風速約8〜13メートル/秒の影響で大型藻類 Colpomenia sp.が凝集することが観察されました。 ^{[21]このようなLCは、浅瀬から}深海への炭素バイオマスの輸送に関与している可能性があります。この効果は、研究期間中に海洋色衛星画像（NASA ）で観察されたように、LCの発生後に藻類の濃度が劇的に減少することが判明したことで明らかになりました。海底でのこのような負の浮力を持つ大型藻類の凝集は、LCによる水面での正の浮力を持つ粒子の風列に似ています。

植物はLCに対して受動的な反応を示すが、動物はLC、植物/食物の集合体の存在、光の両方に反応することができる。そのような観察の1つは、絡み合うホンダワラ類を含む風列へのフィズリガニの適応であった。フィズリガニは風列を横切って漂う傾向があり、これにより分岐ゾーンでの食物や動物プランクトンの利用可能性も増加した。^[22]

さらに、メンドータ湖での研究では、Daphnia pulex の濃度と泡線の出現との間に良好な相関関係があることが示されています。同様に、サウスウェールズ湖の泡線の内外でのサンプリングでは、 Daphnia hyalineの漁獲量に有意な差が見られ、発散ゾーンでより多くの数が現れました。^[23]このような粒子と動物の分布は、沈降粒子については湧昇ゾーンに、正浮力粒子については沈降ゾーンに滞留領域があることを示唆する Stommel の開発した数学モデルを使用して説明できます。^[15]実際には、動物プランクトンは、動物が下方に泳ぐように刺激されるほど、湧昇ゾーンに閉じ込められる可能性があります。^[24]その後、Stavn によって、動物の向き、背側の光反応、および流速によって、沈降 (遅い流れのため)、湧昇 (強い流れのため)、および後者 2 つのゾーンの間 (中程度の流れのため) のいずれかでの集中領域が決定される、動物プランクトンの集合を説明するより詳細なモデルが開発されました。^[11]このようなモデルは、ティットマンとキルハムによるストンメルモデルの修正などにより、最大沈降速度と上昇速度の差を考慮するようにさらに改良されてきました^[25]。また、エヴァンスとテイラーは、深度によって遊泳速度が変化することによるストンメル領域の不安定性が、堆積領域に影響を与える螺旋状の軌跡を生み出すことを議論しました^{[10] 。}

それでも、LC内のプランクトン生物の高濃度は、鳥や魚を引き寄せる可能性があります。ホワイトバス Roccus chrysopsの群れが泡跡に沿ってミジンコを食べているのが観察されました。 ^[26]対照的に、コフラミンゴ Phoeniconaias minorは、濃縮された藍藻を含む泡の線を食べているのが観察されました。^[27]同様に、ベーリング海ではクラゲが風と平行に線状パターン（平均間隔129メートル）に集まっているのが見つかりました。これは、LCが大きいためである可能性があります。^{[12]このような集合は、}クラゲの摂食と捕食に影響を与える可能性があります。

植物プランクトンが生成する界面活性剤（界面活性物質）の濃度が高いと、LCの収束領域でマランゴニ応力が上昇する可能性があります。数値シミュレーションでは、界面活性剤によるこのようなマランゴニ応力により、界面活性剤がない場合と比較して、局所領域での渦構造のサイズ、垂直速度、水と生物学的/化学的成分の再混合が増加する可能性があることが示唆されています。^[28]

最後に、LC の重要性を確認するには、さらなる理論的および実験的調査が必要です。

• ウィキメディア・コモンズのラングミュア循環に関連するメディア