地球惑星科学 II 海洋学事始 (1/2) 北海道大学 環境科学院 藤原正智 http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/ 1
第 1 回 海洋圏の概観 海洋の温度 塩分分布 海洋の循環 海氷 流氷 海洋観測 第 2 回 潮汐とそのメカニズム 津波とそのメカニズム 海洋学事始 (1/2) 参考文献 参考図書 地学図表 地球惑星科学入門 第 23 24 25 章 南極海ダイナミクスをめぐる地球の不思議 青木茂 C&R 研究所 海洋学 ポール R ピネ 東海大学出版会 ハワイの波は南極から - 海の波の不思議 - 永田豊 丸善 Ocean Circulation 2nd Edition, The Open University 改訂版流れの科学 木村竜治 東海大学出版会 2
海洋圏の概観 [ 地学図表より ] 現在の海洋 : 地球表層の 7 割 平均深度 3800m 地球史 46 億年における変遷 : ( 講義資料 website の 番外編 地球進化史 を見てください ) 40 億年前 : 原始海洋の誕生 プレートテクトニクス開始 生命誕生 ( 中央海嶺の熱水噴出孔 )~ 進化 19 億年前 : 初めての超大陸 ( ヌーナ大陸 ) その後 3~9 億年周期の ウィルソンサイクル (10 億年前 : ロディニア超大陸 5.5 億年前 : ゴンドワナ超大陸 3 億年前 : パンゲア超大陸 ) 7.5~5.5 億年前 : マントル低温化 海水総量減少 陸地面積 5% 30% 巨大河川発達 大量の堆積物が海へ 海水塩分濃度増大 浸透圧上昇により古来の生物は脱水 絶滅 3 酸素呼吸型の大型多細胞 ( 硬骨格 ) 生物出現 ( 様々な化石が堆積岩中に残されるようになる )
海洋圏の概観 北極域 : 北極海を大陸が囲んでいる大西洋側 ( 特に グリーンランド アイスランド間のデンマーク海峡 ) は深い太平洋側 ( ベーリング海峡 ) は大変浅い海氷 : 一年を通じてかなりの部分を覆っている 南極域 : 南極大陸を海洋が囲んでいる南極半島 南アメリカ間のドレーク海峡はやや浅いケルゲレン海台 ( インド洋 ) オーストラリア 南極海盆 ( バレニー諸島 ) もやや浅い海氷 : 冬には大陸を囲むように海氷が発達するが 夏には多くが消える
海氷の季節変化と年々変動 ( 右 ) 北極海内の 3 つの海におけるの海氷面積の年々変動 特に夏季 (JJA) に海氷面積が減少してきている http://www.jamstec.go.jp/frcgc/jp/publications /news/no22/jp/page1.html Ocean Circulation 2nd Edition (The Open University) ( 左 ) 人工衛星 Nimbusにより観測された1982 年の海氷域 5 赤紫 : 被覆率 100% 青紫:20% 以下
海洋圏の概観 [ 地学図表より ] 陽イオンの起源 : 岩石の化学的風化 ; 陰イオンの起源 : 火山活動等による揮発性ガス Ca イオン以外のイオン濃度比はどこでも一定 混合の時定数比較的短い (~1600 年 ) 気体成分も溶けている :36% が O 2 (6mg/liter) 15% が CO 2 ( 大気中の CO 2 量の 60 倍 ) O 2 : 植物プランクトンの光合成により生成 表層 200m までで富み 以深では有機物分解のため少ない CO 2 : 植物プランクトンの光合成で消費 200m 以深で増える 地球温暖化問題において 海洋のCO 2 吸収 ( 量 能力 ) は鍵である 6 他方 海洋にとってCO 2 吸収量の増大は 海洋酸性化 海洋生態系激変という問題となる
[ 地学図表より ] 海洋の温度 塩分分布 水は熱容量大 温度変化小 ( 海水温 : -1.9 ~34 ) ( 陸上では -90 ~58 ) 塩類の存在 氷点 -1.9 ( 密度最大 ) 電気伝導度大 ( 純水は 4 で密度最大 0 の氷で密度最小 ~8% 減 ) 海水が氷点に達すると海氷生成 塩類の 85% は海水側へ 低温高塩分の重い海水が生成 深層水として沈降し熱塩循環を駆動 表層 ( 混合層 ) の塩分は ( 蒸発量 - 降水量 ) にほぼ比例 7
海洋の温度 塩分分布 地学図表より 8 塩分濃度 海水1000g中の 塩 のグラム数 パーミル
海洋の温度 塩分分布 深層の動きが見える 太平洋 : 赤道から中緯度にかけての表面には暖かい水しかしより深いところには赤道直下でも冷たい水この冷たい水は 南から広がっていることが分かるこれは 南極海で作られる 南極低層水 に起源を持つ 大西洋 : 冷たい水が北から広がっているこれは 北大西洋深層水 その下には 太平洋同様 南極低層水 起源の水がある 9 南極海ダイナミクスをめぐる地球の不思議 より
海洋の温度 塩分分布 深層の動きが見える 大西洋 太平洋ともに低緯度から中緯度にかけて表層の塩分は高く その下に比較的塩分の低い層がある ( 深さ 1 km を中心とした層 ) ただし 北大西洋については北の端まで塩分がかなり高い 北大西洋深層水 の特徴 より深いところ (~ 低層 ) には 大西洋 太平洋ともに南から塩分の比較的低い 南極低層水 が広がっている 10 南極海ダイナミクスをめぐる地球の不思議 より
海洋の循環 １ ー表層の風成循環 地表風による海面風応力 コリオリ力 の南北勾配 により駆動される循環 西岸強化 北半球偏西風帯 貿易風帯 太平洋西岸の黒潮 大西洋西岸のメキシコ湾流 各海域の特徴 類似 相違 北太平洋 南太平洋 北大西洋 南大西洋 インド洋 南極海 地学図表より 赤道対称な風 海流系を見抜く 赤道無風帯 貿易風帯 亜熱帯高圧帯 偏西風帯 高緯度低圧帯 極東風帯 11
海洋の循環 (2) 中 深層の熱塩循環 [ 地学図表より ] 密度差 ( 温度 塩分濃度の違い ) により駆動される 密度の大きい海水が生成する場所 : 南極海 ( 海氷 ) 北極海 ( 海氷 ) 地中海 ( 蒸発 ) 12
海洋の循環 (2) 中 深層の熱塩循環 南極海ダイナミクスをめぐる地球の不思議 より 南極海: 世界で最も重い水が作られる周極南極環流と合流 沈降 太平洋深海底を北上 1000 年で赤道下 1600 年でアリューシャン 北極海: 出口は北大西洋のみ北大西洋深層水 650 年で喜望峰沖 1900~2000 年で北太平洋 東太平洋にて 湧昇 となって表層に現れ インド洋 大西洋を経て 再び北大西洋へ戻る ( ベルトコンベアモデル : 重い水塊が駆動源 ) 13 ( インド洋と太平洋の具体的な循環経路はまだ完全には確定していない )
海氷 流氷 オホーツク海 : 最も低緯度に位置する海氷域 アムール川からの淡水 + シベリア大陸からの季節風 北西部にて海氷生産 東樺太海流にて南下 同時に北太平洋中層水を生成 ( 千島列島を抜けて南東へ ) ( 人工衛星 AQUA 搭載 AMSR-E と MODIS) http://www.eorc.jaxa.jp/imgdata/topics/2004/tp040130.html 14
2009 年 2 月 15 日 http://www.ms-aurora.com/abashiri/index.html 15
2009 年 2 月 15 日 16
2009 年 2 月 15 日 17
南極海ダイナミクスをめぐる地球の不思議 より 北極海の海氷減少予測よりはやい? 18 [Stroeve et al., GRL, 2007]
水産庁 照洋丸 海洋観測 CTD とロゼット採水システム C: conductivity( 電気伝導度 ) 塩分 T: Temperature, D: Depth ( まぐろ調査船 各種物理量測定器も搭載 この航海では特別に気象ゾンデ観測も ) 19
海洋観測海洋研究開発機構 みらい 海洋 大気の力学 化学 生物学調査船 20 http://www.jamstec.go.jp/jamstec-j/kansoku/
海洋観測 海洋研究開発機構 みらい オゾン 水蒸気 気温等のラジオゾンデ観測 成層圏中部30km程度まで 21
海洋観測 地球惑星科学入門 より 東樺太海流の発見 CTD が取り付けてある世界 3000 個を維持年間 800 個を新たに投入 ADCP: Acoustic Doppler Current Profiler 超音波がプランクトンや温度場の乱れに散乱されて戻ってくるのを検出 測定する 22
まとめ : 海洋学事始 (1/2) 第 1 回 海洋圏の概観 海洋の温度 塩分分布 海洋の循環 海氷 流氷 海洋観測 第 2 回 潮汐とそのメカニズム 津波とそのメカニズム 参考文献 参考図書 地学図表 地球惑星科学入門 第 23 24 25 章 南極海ダイナミクスをめぐる地球の不思議 青木茂 C&R 研究所 海洋学 ポール R ピネ 東海大学出版会 ハワイの波は南極から - 海の波の不思議 - 永田豊 丸善 Ocean Circulation 2nd Edition, The Open University 改訂版流れの科学 木村竜治 東海大学出版会 23
連絡 : レポート課題予告 対象 : 全員 提出期限 提出場所 : 2 月 2 日 ( 木 )16:00 まで 全学教育事務室 教務課 レポートボックス 藤原正智 テーマ : 地球惑星科学 II の講義に関連するものを各自自由に選ぶ ( 迷う場合は事前に相談のこと ) 講義資料 website を参照のこと :http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/edu/chigaku2011/ なお 1 月の講義内容 ( 気候変動と地球温暖化 ) の予定については以下を参照してください http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/edu/chigaku2009/ 用紙 ページ数 : A4 紙 1 枚を両面使用する ( 表裏 2 ページ ) パソコン 手書き : パソコン ワープロでも手書きでもどちらでも構わない ( ただし 手書きの場合 文字が読みにくい 判読しにくい場合はどうしても評価が下がらざるを得ないことに注意 ) 書式 : タイトル 名前 学部 学籍番号 本文 ( 適宜 小見出しをつける ) 図や表を入れる場合は 番号 ( 図 1 図 2 表 1 表 2...) をつけ キャプション ( 図表の説明 ) もつけること 引用文献や参考資料 (website の URL など ) のリスト なお 引用文の書き方 引用文献リストの書き方については 適宜手持ちの教科書等を 参考にすること ( ものにより書式は微妙に異なるが どれかに統一すればよい ) 24
おまけ : 海洋の酸素分布 (200 m 深 ) [Falkowski et al., EOS, 2011] To a first order, the oxygen content of the ocean interior is determined by the influx of the gas across the air-sea surface (i.e., ventilation) and consumption due primarily to microbial respiration. As these two competing processes vary in space and time, so does the concentration of oxygen in the ocean interior. Although oxygen concentrations on continental margins are declining in many regions due to increased anthropogenic nutrient loadings [e.g., Rabalais et al., 2002], oxygen also appears to be declining in both the central North Pacific Ocean and the tropical oceans worldwide [Emerson et al., 2004; Whitney et al., 2007; Keeling et al., 2010] (see Figure 1). It is unclear whether the loss throughout the basins in the open ocean is a long-term, nonperiodic (secular) trend related to climate change, the result of natural cyclical processes, or a combination of both (Figure 2). If related to climate change, a number of important factors may be involved, including decreased solubility of oxygen as waters warm, decreased ventilation at high latitudes associated with increased ocean stratification, and changes in 25 respiration in the ocean interior. http://www.agu.org/pubs/crossref/2011/2011eo460001.shtml