海洋熱量

海洋熱量（OHC）または海洋熱吸収（OHU）は、海洋によって吸収され蓄えられるエネルギーです。海洋熱量を計算するには、さまざまな場所と深さで海水温を測定する必要があります。海盆または海洋全体のエンタルピーエネルギーの変化の面密度を積分すると、海洋の総熱吸収が得られます。 ^[2] 1971年から2018年の間に、海洋熱量の上昇は、地球温暖化による地球の余剰エネルギーの90％以上を占めました。^{[3] [4]この増加の主な要因は、人間による}温室効果ガス排出量の増加によるものです。^{[5] ：1228} 2020年までに、追加されたエネルギーの約3分の1が700メートル以下の深さに伝播しました。^{[6] [7]}

2023年、世界の海は再び史上最高気温となり、2022年の最高記録を上回りました。^[8] 2000メートルの深さまでの海洋熱観測の最高記録5件は、2019年から2023年の期間に発生しました。北太平洋、北大西洋、地中海、南極海はすべて、60年以上にわたる世界的な測定で最高の熱観測を記録しました。^[9]海洋熱量と海面上昇は、気候変動の重要な指標です。^[10]

海水は大気中のガスよりもはるかに大きな熱容量を持っているため、多くの太陽エネルギーを吸収することができます。 ^[6] その結果、海洋の上部数メートルには、地球の大気全体よりも多くのエネルギーが含まれています。^[11] 1960年以前から、研究船やステーションは、世界中で海面温度とより深い場所の温度をサンプリングしてきました。 2000年以来、約4000のArgoロボットフロートの拡大ネットワークが、温度異常、つまり海洋の熱量の変化を測定しています。 ここ数十年の観測の改善により、上層海洋の熱量は加速的に増加していると分析されています。^{[12] [13] [14]} 2003年から2018年までの上位2000メートルの純変化率は+0.58 ± 0.08 W/m ²（または年間平均エネルギー増加量9.3 ゼタジュール）。長期間にわたって温度を正確に測定し、同時に十分な面積と深さをカバーしていくことは困難です。これが数値の不確実性を説明しています。^[10]

海水温の変化は海洋と陸上の生態系に大きな影響を与えます。例えば、沿岸生態系とその生態系サービスに依存するコミュニティにはさまざまな影響があります。直接的な影響としては、海面と海氷の変動、水循環の強度の変化、海洋生物の移動などがあります。 ^[15]

海洋熱量は、海洋物理学において、海洋に蓄えられているエネルギーの種類を表すために使用される用語です。これは、海水の熱力学的状態方程式の特定の定式化と連携して定義されます。TEOS -10は、 2010年に政府間海洋学委員会によって承認された国際標準です。^[16]

海洋熱量の計算は、潜在エンタルピーとも呼ばれる海面エンタルピーの計算と密接に関連しています。そのため、OHCの変化は、海水と氷、淡水、湿った空気との熱交換とより容易に比較できます。^{[17] [18]} OHCは常に変化として、または基準値に対する「異常」として報告されます。正の値は海洋熱吸収（OHU）も定量化し、地球温暖化による地球のエネルギー増加の大部分がどこに向かっているかを診断するのに役立ちます。

海洋熱量を計算するには、さまざまな場所や深さで採取した海水のサンプルから海水温を測定する必要があります。 ^{[19]海洋熱の}面密度を海盆または海洋全体に積分すると、海洋総熱量が得られます。したがって、海洋総熱量は、データが利用可能な海洋の3次元領域の温度、密度、熱容量の積の体積積分です。 ^[20]測定の大部分は、約2000メートル（1.25マイル）より浅い深さで行われています。^[21]

2つの深さ間の海洋熱量の面密度は定積分として計算される：^{[2] [20]}

${\displaystyle H=c_{p}\int _{h2}^{h1}\rho (z)\Theta (z)dz}$

ここで、 は海水の比熱容量、h2 は下限深度、h1 は上限深度、は海水密度プロファイル、 は保守的な温度プロファイルです。は、通常、海面として選択される単一の深度 h0 で定義されます。SI 単位では、の単位はジュール/平方メートル (J·m ⁻² ) です。 ${\displaystyle c_{p}}$${\displaystyle \rho (z)}$${\displaystyle \Theta (z)}$${\displaystyle c_{p}}$${\displaystyle H}$

実際には、温度（t）、圧力（p）、塩分濃度（s）、および対応する密度（ρ）を含む、滑らかで、それ以外は良好な一連の現場データを使用して合計することで積分を近似することができます。保守的な温度は、h0での基準圧力（p0）に対する相対的な変換値です。以前の計算では、潜在温度として知られる代替値が使用されていました。^[22] ${\displaystyle \Theta (z)}$

温度と海洋深度の測定では、一般的に上層混合層（0～200 m）、サーモクライン（200～1500 m）、深海層（1500 m超）が示される。これらの境界深度は、大まかな近似値にすぎない。太陽光は最大約200 mの深さまで浸透し、その上部80 mは光合成海洋生物の生息可能領域で、地球表面の70%以上を覆っている。 ^[23]波の作用やその他の表面乱流は、上層全体の温度を均一にするのに役立ちます。

緯度とともに低下する表面温度とは異なり、深海の温度は世界のほとんどの地域で比較的低く均一です。^[24]全海洋の約50％は3000メートル（1.85マイル）以下の深さにあり、太平洋は5つの海洋区分の中で最大かつ最深です。サーモクラインとは、温度、栄養分の流れ、生物の豊富さ、その他の特性の点で、上層と深層の間の遷移です。熱帯では半永久的ですが、温帯地域では変化し（夏に最も深くなることが多い）、極地では浅いか存在しません。^[25]

海洋熱量測定は困難を伴い、特にアルゴプロファイリングフロートが配備される前は困難でした。^{[21]空間カバレッジが狭く、データ品質が低いため、長期的な}地球温暖化の傾向と気候変動を区別することは必ずしも容易ではありませんでした。これらの複雑な要因の例としては、エルニーニョ南方振動による変動や、大規模な火山噴火による海洋熱量の変化が挙げられます。^[10]

アルゴは、21世紀初頭から世界中に配備されているロボットプロファイリングフロートの国際プログラムです。 ^[27]このプログラムの最初の3000ユニットは、2020年までに約4000ユニットに拡大しました。10日間の測定サイクルの開始時に、フロートは1000メートルの深さまで降下し、そこで9日間流れに沿って漂います。その後、2000メートルまで降下し、水面まで上昇する最後の1日間で温度、塩分（導電率）、水深（圧力）を測定します。水面では、フロートはサイクルを繰り返す前に、深度プロファイルと水平位置データを衛星中継で送信します。 ^[28]

1992年以降、TOPEX/ポセイドンとそれに続くジェイソン衛星シリーズの 高度計は、海面上昇の主要因である鉛直統合海洋高気圧を観測してきました。^[29] 2002年以降、GRACEとGRACE-FOは重力測定法を用いて海洋の変化を遠隔監視してきました。^[30] Argoと衛星測定の連携により、海洋高気圧やその他の地球規模の海洋特性の推定値が継続的に改善されてきました。^[26]

海洋の熱吸収は、地球全体の熱吸収の90％以上を占めており、主に人間が地球の大気の組成に引き起こした変化の結果として生じています。^{[11] [31]} この高い割合は、海面およびその下の水、特に乱流上部混合層が、地球の露出した大陸地殻、氷で覆われた極地、または大気の成分自体よりもはるかに大きな熱慣性を示すためです。熱慣性の大きい物体は、その体積熱容量のために大量のエネルギーを蓄え、熱伝達係数に従ってエネルギーを効率的に伝達します。大気を介して地球に入る余分なエネルギーのほとんどは、このようにして海洋に吸収され、保持されます。^{[32] [33] [34]}

惑星の熱吸収または熱含有量は、気候システムに追加または除去されるエネルギー全体を占めます。^[35] これは、総入射放射と総放射放出の間の観測された差（または不均衡）の経時的な蓄積として計算できます。不均衡の変化は、 CERESやその他の遠隔機器によって地球軌道から推定され、海洋、陸地、氷、大気の熱インベントリの変化の現場調査と比較されています。 ^{[3] [36] [37]} いずれかの計算方法で完全かつ正確な結果を得ることは困難ですが、研究者はそれぞれ異なる方法で、互いにほぼ独立していると考えています。^[36] よく観測されている2005年から2019年の期間の惑星の熱含有量の増加は、測定の不確実性を超えていると考えられています。^[31]

海洋の観点から見ると、赤道付近の太陽放射がより豊富であることが地球の熱帯表層水によって直接吸収され、極方向への熱の伝播を促進します。また、表面は、風や波の作用によって下層対流圏で吸収されたエネルギーを交換します。時間の経過とともに、地球のエネルギー収支の持続的な不均衡により、熱伝導、沈降、上昇によって、海洋深部への熱の流入または流出が可能になります。^{[38] [39]} 大気へのOHCの放出は主に蒸発によって起こり、惑星の水循環を可能にします。^[40]海面温度の上昇に伴う集中的な放出は、熱帯低気圧、大気河川、大気熱波、および内陸まで浸透する可能性のあるその他の異常気象を引き起こすのに役立ちます。^{[9] [41]} これらのプロセスにより、海洋は地球最大の熱貯蔵庫となり、地球の気候を調整する機能を果たし、シンクとエネルギー源の両方の役割を果たしています。 ^[32]

陸地や氷に覆われた地域の観点から見ると、海洋の支配的な熱慣性によって、それらの地域での熱吸収の割合は減少し、遅れる。陸地と氷の慣性が低い（熱伝達係数が小さい）ため、陸地表面の平均温度上昇は海洋表面を上回っているが、海洋全体がない場合は温度はより急速かつ大幅に上昇するだろう。 ^[32] 海洋と惑星のエネルギー予算をより正確に把握するために、熱が深海にどれだけ速く混ざるかの測定も行われている。^[42]

近年の多数の独立した研究により、上層海洋域のOHCが数十年にわたって上昇し、それが深海域にまで浸透し始めていることがわかっています。^{[3] [21]}上層海洋（0〜700 m）は1971年以来温暖化していますが、温暖化は中深度（700〜2000 m）で発生した可能性が高く、深海（2000 m以下）の温度が上昇した可能性があります。^{[5] : 1228}この熱吸収は、地球のエネルギー予算における持続的な温暖化の不均衡によって生じており、その最も根本的な原因は、大気中の温室効果ガスの人為的増加です。^{[43] : 41}人為的な二酸化炭素排出に反応して海洋の熱量が増加したことは、人間の時間スケールでは基本的に不可逆であるという確信が非常に高いです。^{[5] : 1233}

アルゴ観測に基づく研究によると、海面風、特に太平洋の亜熱帯貿易風は、海洋熱の垂直分布を変えることが示されている。^[45]これにより、海流の変化と亜熱帯の逆転の増加が起こり、これはエルニーニョ現象とラニーニャ現象にも関連している。確率的な自然変動の変動に応じて、ラニーニャ年には上層海洋から深層海洋に輸送される熱が約30％増加します。さらに、研究によると、海洋で観測された温暖化の約3分の1は、700〜2000メートルの海洋層で発生しています。^[46]

モデル研究によると、ラニーニャの年には風の循環の変化に伴い、海流がより多くの熱を深層に運ぶことが示されています。 ^{[47] [48]海洋の熱吸収が増加する年は、} 10年周期の太平洋振動（IPO）の負の位相と関連しています。 ^{[49]これは、}海洋の熱吸収を推定するためにデータを使用する気候科学者にとって特に興味深いことです。

北大西洋のほとんどの地域では、海洋上層の熱量は熱輸送収束点（海流が出会う場所）によって支配されており、温度と塩分の関係に大きな変化はありません。^[50]さらに、2022年の海洋における人為的温暖化に関する研究では、北大西洋の北緯25度線沿いで1850年から2018年の間に起こった温暖化の62％が、海洋の余剰熱の大部分が蓄えられている水深700メートル以下の海域に留められていることが示されています。^[51]

2015年の研究では、太平洋の海洋熱量の増加はインド洋へのOHCの急激な分布によって補われたと結論付けられました。^[52]

海洋の上部2000メートルは1970年代以降平均的に温暖化しているが、海洋温暖化の速度は地域によって異なり、亜極域の北大西洋はよりゆっくりと温暖化し、南極海は人為的な温室効果ガス排出により不釣り合いに大量の熱を吸収している。^{[5] : 1230}

2000メートル以下の深海の温暖化は、他の海洋盆地と比較して南極海で最大となっている。^{[5] : 1230}

海洋温暖化はサンゴの白化現象の原因の一つであり^{[53] 、}海洋生物の移動にも寄与している。^[54] 海洋熱波は生命を脅かすほど水温が上昇し続ける領域である。^[55]大気循環と海流による地球の内部エネルギーの再分配は、しばしば不規則な振動の形で内部気候変動を生み出し^[56]、地球規模の熱塩循環を維持するのに役立っている。^{[57] [58]}

OHC の増加は、熱膨張により、1900 年から 2020 年までの世界全体の海面上昇の 30～40% を占めています。^{[59] [60]} また、海氷、氷山、潮間氷河の融解を加速させます。氷の損失により極地のアルベドが減少し、地域的および世界的なエネルギー不均衡が拡大します。 ^{[61]その結果、}北極の海氷 では氷が急速かつ広範囲に後退し、^[62]グリーンランドやカナダなどの北部のフィヨルドでも後退が見られました。^[63]南極の海氷と、南極海に続く広大な南極棚氷 への影響は地域によって異なり、水温の上昇により増加しています。^{[64] [65]}スワイツ棚氷とその西南極近隣地域 の崩壊は、 2020 年の海面上昇の約 10% に寄与しました。^{[66] [67]}

海洋は炭素の吸収源および排出源としても機能し、地球の炭素循環における陸地と同等の役割を果たしている。^{[68] [69]}ヘンリーの法則 の温度依存性に従い、温暖化した表層水は酸素を含む大気中のガスや、人間の活動から排出される二酸化炭素やその他の温室効果ガスの増加を吸収する能力が低下する。^{[70] [71]}それにもかかわらず、海洋が人為的な二酸化炭素を吸収する速度は、1960年代初頭から2010年代後半にかけて約3倍になっており、大気中の二酸化炭素の増加に比例して増加している。^[72]

深海の温暖化により、そこに自然に蓄積された大量の凍結メタンハイドレート鉱床の一部が溶けて放出される可能性がさらに高まる。^[73]

• 海洋酸性化 – 海洋の pH レベルの低下
• 海洋の成層化 – 密度の違いによる海水の層状化
• 気候変動における海洋と氷圏に関する特別報告書 – IPCC 2019 報告書
• 熱帯低気圧と気候変動 – 気候変動が熱帯低気圧に与える影響

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