大気・海洋中の空間的コントラストの形成に関するメモ

広い意味の対流としての大気・海洋大循環

• (地球の重力場のもとで) 密度コントラストができており、 それを解消するほうに向かう(「軽い」ものが上昇し「重い」ものが下降する)循環ができる。
• 循環には散逸(摩擦)が働くが、 密度コントラストをつくる作用(加熱・冷却など)が続いているので、循環も持続する。
• ただし、上下の対流 (水平規模が鉛直規模と同程度の循環)ではなく、 水平に近い対流 (水平規模が鉛直規模よりもずっと大きい)であり、 上下の対流に対しては安定な成層状態のもとで起こる。
• 継続的な加熱・冷却によって運動がつくられるので、熱機関の同類と考えられる。 (この考えについては、総論ページの中で少し詳しく述べた。)

密度コントラストの直接の原因

• 大気・海洋とも、温度(いわゆる熱膨張)
• 海洋では塩分(濃度) ← 水収支(降水、蒸発、河川からの流入); 海氷ができる際の液体側への塩分濃縮
• 大気中の水蒸気の働き。 水蒸気の分子量が小さいことの直接の密度への効果はあることはあるがわずかである。 水蒸気が凝結する際にまわりの空気にエネルギーが移り温度を上げることの効果が大きい。

コントラストの基本的な原因

• 地表面積あたりに到達する太陽放射エネルギーの緯度・季節・時刻別の不均一
• 太陽放射エネルギー吸収能力(逆に言えば反射能力)の不均一

水平と鉛直

• 大気・海洋の水平スケールは鉛直スケールよりも大きい。
• 重力場と地球の自転があるため、 鉛直方向と水平方向は運動にとって違った特徴をもつ。 水平運動の渦(鉛直軸まわりの渦)は定常的に持続できる。
• 上のほうが「重い」(およその意味は「密度が大きい」)ような成層状態が作られようとすると、ローカルな対流(水平スケールが鉛直スケールと同程度)で解消される。

どんな水平コントラストが重要か

• 昼と夜 ... 高層大気(熱圏)では重要。中層・下層大気では大気の熱容量のためならされる。
• 夏と冬 ... 中層大気(成層圏中・上部、中間圏)では重要。下層大気では海洋混合層の熱容量のためならされる。
• 赤道と極 ... 下層大気(対流圏、成層圏下部)・海洋では重要。
• 海上と陸上 [海陸コントラストの回参照]。