風成循環

風成循環：風の力で生まれる海の大きな流れ

風成循環とは、風の力が原因となって生じる、海洋における水平方向の流れのことです。風の影響は主に海洋表面から数百メートルほどの深さまで及ぶため、風成循環は表層から中層にかけての海洋の動きを特徴づけます。

風は直接的に海洋に運動量を与えるのではなく、海面付近の薄い層（数十メートル程度）に作用して弱い鉛直流を生じさせます。この鉛直流が、間接的に海洋内部の南北方向の流れを引き起こすのです。海洋内部では、摩擦の影響を無視できるほど小さいため、地球の自転によるコリオリ力と圧力傾度力が釣り合った状態、すなわち地衡流となります。この地衡流により、南北方向の流れが効率よく形成されます。

北太平洋中緯度における風成循環の例

北太平洋中緯度（日本南岸から赤道付近にかけての緯度）では、時計回りの風成循環が見られます。日本上空では西から東へ向かう偏西風、その南側では東から西へ向かう貿易風が卓越風となっています。これらの風の向きとコリオリ力（南半球では北半球と逆向き）を考慮することで、南極環流を除く他の風成循環についても同様の原理で説明が可能です。

エクマン層と海水の輸送

海洋表層の数十メートルほどの深さでは、コリオリ力、圧力傾度力、風応力がバランスしています。この層をエクマン層と呼びます。コリオリ力の影響により、北半球では表層の海水は風の方向に対して右側に90度ずれた方向へ輸送されます（南半球では左側に90度）。この流れはエクマン流と呼ばれ、北太平洋中緯度では南向き、低緯度では北向きの海水の輸送を引き起こし、中央部に海水が集まる結果となります。この海水の集中は、人工衛星搭載の海面高度計によって、数センチメートルの海面盛り上がりとして観測できます。この盛り上がりを解消するため、表層中央部では鉛直下向きの流れが生じます。

スヴェルドラップバランス：海洋内部の力学

エクマン層の下部、数十メートル以深の海洋内部では、風応力は直接作用せず、コリオリ力と圧力傾度力がほぼ釣り合っています。この状態に、エクマン流による鉛直流が加わった力学的なバランスを、スヴェルドラップバランスと呼びます。これは1947年にハラルド・スヴェルドラップによって提唱され、渦位保存則に基づいています。

スヴェルドラップバランスは、海洋内部の南北方向の流れを効率よく説明します。例えば、緯度30度において、厚さ1000メートルの海洋を考えると、わずか0.1 mm/sの弱い鉛直流が1 m/sもの南北方向の流れを引き起こすことが計算から示されます。また、スヴェルドラップバランスでは、風による鉛直流の発生がない場合は海流は東西方向にしか流れないという重要な帰結も導かれます。

西岸境界流：風の影響とロスビー波

スヴェルドラップバランスが成り立ち、コリオリ力の緯度変化が顕著な状況では、海洋の応答はロスビー波によって支配されます。長波長のロスビー波は西向きに進むため、スヴェルドラップバランスが成立していない領域は西側に流れが集中し、西岸境界流を形成します。各大循環の流量が保存されると仮定すると、西岸境界流は、それと反対向きに流れる内部領域の流れと補償し合う関係になります。北太平洋においては、黒潮（亜熱帯循環）と親潮（亜寒帯循環）が西岸境界流の代表的な例です。

現実の風成循環：複雑な要素

上記の理論は、風成循環の主要な特徴をよく説明しますが、現実の風成循環はより複雑です。密度成層の効果や海底地形の効果、乱流の効果などが重要であり、観測される流れ場は、風成循環に直径100キロメートル程度の渦運動が多数重畳したものです。

まとめ

風成循環は、一見単純な風の作用から、エクマン層、スヴェルドラップバランス、西岸境界流といった複雑な海洋現象を生み出します。これらの相互作用によって、大規模な海洋循環が形成され、地球規模の気候システムに大きな影響を与えているのです。この風成循環の理解は、海洋学、地球物理学における重要な課題であり、気候変動研究にも不可欠な要素です。

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