熱塩循環

熱塩循環（THC ）は、表面の熱と淡水の流入によって形成される地球規模の密度勾配によって駆動される大規模な海洋循環の一部です。^{[ 1 ] [ 2 ]}熱塩循環という名前は、温度を意味するthermo-と塩分含有量を意味するhalineに由来しており、これらは一緒に海水の密度を決定する要因です。

風によって駆動される表層海流（メキシコ湾流など）は、赤道大西洋から極方向へ移動し、高緯度に向かう途中で冷却され沈降し、最終的には北大西洋深層水の一部となり、その後海洋盆地へと流れ込みます。^{[ 3 ]}熱塩水の大部分は南極海で湧昇しますが、最も古い水（移動時間約1000年）は北太平洋で湧昇します。^{[ 4 ]}海洋盆地間では広範囲にわたる混合が行われ、密度の差が縮小し、地球の海洋はグローバルなシステムを形成します。^{[ 3 ]}これらの循環における水は、熱としてエネルギーを、溶解した固体やガスとして質量を地球全体に輸送します。その結果、循環の状態は地球の気候に大きな影響を与えます。

熱塩循環は、海洋コンベヤーベルト、大海洋コンベヤー、または気候科学者のウォレス・スミス・ブロッカーが作った用語「地球規模のコンベヤーベルト」と呼ばれることが多い。^{[ 5 ] [ 6 ]}また、南北循環、またはMOCとしても知られており、温度と塩分の勾配によって引き起こされる循環パターンが必ずしも単一の地球規模の循環の一部ではないことを示すために使用される名前である。これは、温度と塩分によって駆動される循環の部分と、風や潮汐力などの要因によって影響を受ける循環の部分を分離することが難しいことが一因である。^{[ 7 ]}

この地球規模の循環は、北大西洋を中心とする大西洋子午面循環（AMOC ）と、南極付近に位置する南極海子午面循環（ SMOC ）という2つの主要な「枝」から構成されています。人類の90%が北半球に居住しているため^{[ 8 ]}、AMOCについてはより広範な研究が行われてきましたが、SMOCも地球規模の気候にとって同様に重要です。証拠によると、両方の循環は、氷床の融解による希釈率の増加に伴う気候変動により減速しており、南極底層水の塩分濃度に重大な影響を与えています。^{[ 9 ] [ 10 ]}さらに、どちらかの循環が完全に崩壊してはるかに弱い状態になる可能性は、気候システムの転換点の一例です。どちらかの半球で循環が崩壊すると、降水量が減少するため、長期にわたる乾燥期間や干ばつの可能性が高まり、もう一方の半球では降水量が増加します。海洋生態系は、より少ない栄養分しか得られず、海洋の脱酸素化が進む可能性が高くなります。北半球では、AMOCの崩壊により、多くのヨーロッパ諸国で気温が大幅に低下する一方、北米東海岸では海面上昇が加速すると予測されています。これらの循環の崩壊は、一般的に1世紀以上先のことと考えられており、急速かつ高水準の海水温上昇が起こった場合にのみ発生する可能性があります。ただし、これらの予測には大きな不確実性が伴います。^{[ 10 ] [ 11 ]}

風が海流を駆動することは古くから知られていましたが、それは表面に限られていました。^{[ 12 ]} 19世紀には、一部の海洋学者が、熱の対流がより深い海流を駆動する可能性があると示唆しました。1908年、ヨハン・サンドストロームはボルノー海洋研究所で一連の実験を行い、熱エネルギー伝達によって駆動される海流が存在する可能性があることを証明しましたが、そのためには「冷却よりも深い場所で加熱が行われる」必要があるとしました。^{[ 1 ] [ 13 ]}通常、海水は太陽によって上から加熱されて密度が低くなるため、その逆のことが起こり、表層はより冷たく密度の高い層の上に浮かび、海洋成層が生じます。しかし、風や潮汐はこれらの水層間の混合を引き起こし、潮汐流によって引き起こされる密度差混合はその一例です。^{[ 14 ]}この混合によって海洋層間の対流が可能になり、深層海流が発生します。^{[ 1 ]}

1920年代、サンドストロームの枠組みは、海洋層形成における塩分の役割を考慮することで拡張されました。 ^{[ 1 ]}塩分は、温度と同様に水の密度に影響を与えるため重要です。水は温度が上昇し、分子間の距離が広がると密度が低くなりますが、塩分が増加すると、その水に溶けている塩の質量が大きくなるため、密度が高くなります。^{[ 15 ]}さらに、淡水は4  ℃で最も密度が高くなりますが、海水は冷却されるにつれて密度が高くなり、凝固点に達するまで続きます。その凝固点は塩分のため淡水よりも低く、 塩分と圧力によっては-2℃以下になることもあります。^{[ 16 ]}

温度と塩分によって生じるこれらの密度差は、最終的に海水を北大西洋深層水(NADW) や南極底層水(AABW)などの異なる水塊に分離します。これら 2 つの水は、1960 年にHenry Stommelと Arnold B. Aronsによって確立された循環の主な原動力です。 ^{[ 17 ]これらの水は、追跡可能な化学的、温度、および同位体比のシグネチャ ( 231} Pa / ²³⁰ Th比など) を持ち、その流量を計算し、その年齢を決定できます。NADW は、北大西洋が海洋でまれな場所であり、海に淡水を加えて塩分を低下させる降水量が、強風による蒸発量に上回られるために形成されます。水が蒸発すると塩分が残るため、北大西洋の表層水は特に塩分濃度が高くなります。北大西洋はもともと冷たい地域であり、蒸発冷却によって水温がさらに低下します。こうして、この水はノルウェー海で沈み込み、北極海盆を満たし、グリーンランド、アイスランド、イギリスを結ぶ海底の割れ目であるグリーンランド・スコットランド海嶺を通って南へ流れ出す。ベーリング海峡の狭く浅い海域のため太平洋へは流れ出せないが、南大西洋の深い深海平原へとゆっくりと流れ込む。 ^{[ 18 ]}

南極海では、南極大陸から棚氷に向かって吹く強いカタバ風が、新たに形成された海氷を吹き飛ばし、ウェッデル海やロス海、アデリー海岸沖、ダーンリー岬付近などにポリニヤ（海氷が海面から離れた海域）を形成します。海氷に守られなくなった海は、激しく急激に冷却されます（ポリニヤを参照）。一方、海氷は再び形成され始め、表層水も塩分濃度が高くなり、非常に密度が高くなります。実際、海氷の形成は表層海水の塩分濃度の上昇に寄与します。海氷が周囲に形成される際に、より塩分濃度の高い塩水が残されます（純水は優先的に凍結します）。塩分濃度の上昇は海水の凝固点を低下させるため、氷のハニカム構造の中に冷たい液体の塩水が形成されます。塩水はすぐ下の氷を徐々に溶かし、最終的には氷のマトリックスから滴り落ちて沈降します。このプロセスは塩水排出と呼ばれます。結果として生じた南極の底層水は沈降し、北東方向へ流れていきます。ウェッデル海で形成された AABW は、NADW よりも密度が高いため、NADW の下を流れます。ウェッデル海で形成された AABW は主に大西洋とインド洋の海盆を満たしますが、ロス海で形成された AABWは太平洋に向かって流れます。インド洋では、大西洋からの冷たく塩分の多い下層水と、熱帯太平洋からの暖かく塩分の少ない上層海洋水との間で、垂直方向の交換が行われ、これはオーバーターンとして知られています。太平洋では、大西洋からの残りの冷たく塩分の多い水は塩分強制を受け、より早く暖かく塩分が少なくなります。^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

冷たく塩分の多い海水が海底から流出することで、大西洋の海面は太平洋よりわずかに低くなり、大西洋の水の塩分濃度（塩分濃度）は太平洋より高くなります。これにより、熱帯太平洋からインドネシア諸島を経由してインド洋へと、より暖かく塩分の少ない表層水が大量にゆっくりと流れ、冷たく塩分の多い南極底層水と入れ替わります。これは「塩分強制」（高緯度での淡水流入と低緯度での蒸発）としても知られています。太平洋からのこの暖かく塩分の少ない水は、南大西洋を北上してグリーンランドに流れ込み、そこで冷却され、蒸発冷却を受けて海底に沈み、継続的な熱塩循環を生み出します。^{[ 25 ] [ 26 ]}

深層水が海盆に沈むと、古い深層水塊を押し出し、海洋の混合が続くことで徐々に密度が低下します。そのため、湧昇と呼ばれる現象で水が上昇します。その速度は、底層水塊の動きと比べても非常に遅いです。そのため、表層海洋で起こっている他の風によるプロセスを考えると、流速を使って湧昇がどこで起こっているかを測定するのは困難です。深層水には、深層での長い旅の途中で沈下した微粒子が分解されてできた独自の化学的特徴があります。多くの科学者が、これらのトレーサーを使って湧昇がどこで起こっているかを推測しようと試みてきました。ウォレス・ブロッカーは、ボックスモデルを使って、深層湧昇の大部分は北太平洋で起こっていると主張し、その証拠としてこれらの海域で見つかった高濃度のケイ素を挙げています。他の研究者は、そのような明確な証拠を見つけていません。^{[ 27 ]}

海洋循環のコンピューターモデルでは、深層湧昇の大部分が南極海にあり、南米と南極大陸の間の開けた緯度の強い風に関連しているとますます考えられています。^{[ 28 ]} また、英国と米国のRAPIDプログラムによって、北大西洋の北緯26.5度で熱塩循環の強さの直接推定も行われています。このプログラムは、流速計と海底ケーブル測定による海洋輸送の直接推定と、温度と塩分の測定による地衡流の推定を組み合わせて、連続的で全深度にわたる海盆全体の南北循環の推定を提供します。しかし、このプログラムは2004年からしか運用されておらず、循環の時間スケールが数世紀単位で測定されることを考えると、短すぎます。^{[ 29 ]}

熱塩循環は極域への熱供給において重要な役割を果たしており、これらの地域の海氷量を調節しているが、熱帯以外の極方向への熱輸送は海洋よりも大気の方がかなり大きい。^{[ 30 ]}熱塩循環の変化は地球の放射収支に大きな影響を与えると考えられている。

アガシス湖からの低密度の融解水の大量流入と北アメリカの氷河の後退が、北大西洋極域における深層水の形成と沈降の変化を引き起こし、ヨーロッパではヤンガードリアス期として知られる気候期を引き起こしたと考えられている。^{[ 31 ]}

AMOCの減速または崩壊

2021年に発表されたIPCC第6次評価報告書は、 AMOCが21世紀中に「非常に高い確率で」衰退すると再び述べ、温暖化が逆転すれば、その変化は数世紀以内に元に戻る可能性が高いと「確信度が高い」と述べている。^{[ 32 ] : 19}第5次評価報告書とは異なり、21世紀末までにAMOCが崩壊を免れる可能性については「高い確信度」ではなく「中程度の確信度」にとどまった。この確信度の低下は、大循環モデル内の循環安定性バイアスに注目したいくつかのレビュー研究^[ 33 ] ^{[ 34 ]や、} AMOCが大規模モデルが示唆するよりも急激な変化に対して脆弱である可能性を示唆する簡略化された海洋モデル研究^{[ 35 ]の影響を受けたと考えられる。}

IPCC第6次評価報告書の統合報告書は、科学的コンセンサスを次のように要約している。「大西洋子午面循環は、検討されたすべてのシナリオにおいて21世紀中に弱まる可能性が非常に高い（高い確信度）が、2100年以前に急激な崩壊は予想されない（中程度の確信度）。このような低い確率の事象が発生した場合、熱帯雨林帯の南下など、地域の気象パターンと水循環に急激な変化が生じ、生態系と人間の活動に大きな影響が出る可能性が非常に高い。」^{[ 36 ]}

2024年現在、AMOC循環の一貫した減速が起こったかどうかについてはコンセンサスが得られていないが、気候変動が継続すればそれが起こることはほぼ間違いない。^{[ 37 ]} IPCCによると、将来のAMOC低下の最も可能性の高い影響は、中緯度での降水量の減少、熱帯とヨーロッパでの強い降水パターンの変化、北大西洋の経路をたどる嵐の強化である。^{[ 37 ]} 2020年の研究では、AMOCの弱体化により北極海の海氷の減少が遅くなり^{[ 38 ]} 、ヤンガードリアス期に起こったと思われるものと同様の大気傾向^{[ 39 ]}、例えば熱帯収束帯の南下などが生じることがわかった。高排出シナリオでの降水量の変化ははるかに大きくなるだろう。^{[ 38 ]}

AMOCの低下は、米国東海岸沿いの海面上昇の加速を伴うでしょう。^{[ 37 ]}少なくとも1つのそのような事象は、AMOCの一時的な減速と関連付けられています。^{[ 40 ]}この効果は、沿岸水域の温暖化と熱膨張の増加によって引き起こされ、ヨーロッパへの熱伝達が少なくなります。これは、米国東海岸沿いの海面上昇が世界平均の3～4倍と推定される理由の1つです。^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}

• 大西洋数十年周期振動– 北大西洋の表面温度に影響を与える気候サイクル 
• ブルント・ヴァイサラ周波数– 垂直変位に対する流体の安定性の尺度リダイレクトターゲットの簡単な説明を表示するページ 
• コントゥライト– 熱塩循環によって引き起こされる深層底層流によって生成される堆積物 
• 下降流– ある流体が別の流体の中を下方へ移動する 
• 塩熱循環– 大規模海洋循環の一部リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ 
• 熱水循環– 熱交換によって駆動される水の循環 
• 温度塩分図– 水塊を識別するために使用される図リダイレクト対象の簡単な説明を表示するページ 

• アペル、JR（1987）。海洋物理学の原理。アカデミック・プレス。ISBN 0-12-058866-8。
• Gnanadesikan, A.; RD Slater; PS Swathi; GK Vallis (2005). "海洋熱輸送のエネルギー論" . Journal of Climate . 18 (14): 2604– 16. Bibcode : 2005JCli...18.2604G . doi : 10.1175/JCLI3436.1 .
• Knauss, JA (1996).物理海洋学入門. Prentice Hall. ISBN 0-13-238155-9。

• 海洋コンベアベルト
• THOR FP7プロジェクト（http://arquivo.pt/wayback/20141126093524/http%3A//www.eu%2Dthor.eu/）は、「熱塩循環の転換は危険にさらされているのか？」というテーマと、THCの変化の予測可能性について調査しています。THORは、欧州委員会の第7次フレームワークプログラムによって資金提供されています。