海洋の循環は、物理的原因に注目すると、 海面での風による摩擦応力を原動力とする「風成循環」と、 温度と塩分による密度の不均一を解消するように起こる (やや広い意味の)対流である「熱塩循環」がある。 [「熱塩循環は密度の不均一を原動力とする」と言うのは正確ではないようだ。 下の注を参照。]
大まかにいうと、 海洋は、水温の鉛直勾配の大きい層(水温躍層)を境に、表層と深層に分けられる。 水温躍層の深さは一定ではないが、およそ500 mである。 表層の循環は主に風成循環、深層の循環は主に熱塩循環である。 両方の循環がエネルギー輸送に寄与している。
注意: 熱塩循環の一部は表層を流れており、 表層の流れの観測だけからでは風成循環と熱塩循環を分離して認識できない。
風によるといっても、地球の自転がからむので、 風にひっぱられてそれと同じ向きの循環ができるという単純なものではない。 ごく簡単に言うと、 海洋表面付近の圧力傾度力・コリオリの力・摩擦力が働くエクマン(Ekman)層の水が風と直角に運ばれて 水の質量移動(エクマン輸送)が生じ、 海面の凹凸とそれに伴う圧力傾度が生じ、 海洋の大規模な運動は圧力傾度力とコリオリの力がつりあった地衡流に落ち着く。 (入門的解説は参考書リストの保坂 2003、Vallis 2012など参照。 大気の側のエクマン層の説明は(たとえば)浅井ほか 2000の6.3節にある。)
時間平均した海流としては、 黒潮を含む亜熱帯循環(北半球で上から見て時計まわり)、 親潮を含む亜寒帯循環(北半球で上から見て反時計まわり)などがある。 いずれも、緯度帯を横切って暖かい(エネルギーの多い)水を高緯度向きに、 冷たい水を低緯度向きに運ぶので、エネルギーを高緯度向きに運ぶことに貢献している。
また、大気の温帯低気圧に相当する渦もあることが知られている。 これもエネルギーを高緯度向きに運ぶことに貢献しているはずである。 ただし、空間スケールが数百kmであり大気の温帯低気圧より小さいこともあって、 観測からはこれがどの程度貢献しているのかあまりよくわかっておらず、 シミュレーションによる評価の努力がされているところである。
赤道付近で東風が吹くと、赤道から離れる向きのエクマン輸送が生じ、 それを補うように下からの湧昇流が生じるので、湧昇がない場合に比べて海面水温は低くなる。 同様に、ペルー付近で南風が吹くと、岸から離れる向きのエクマン輸送が生じ、 それを補うように下からの湧昇流が生じるので、湧昇がない場合に比べて海面水温は低くなる。
海水の密度は温度と塩分で決まる。 温度依存性は、4℃以下の淡水の場合のような逆転はなく、 温度が低いほど密度が大きい。 塩分依存性は、塩分が多いほど密度が大きい。 塩分を構成する物質の出入りは水の出入りより小さいので、 塩分濃度は降水・蒸発・河川からの流入からなる水収支の結果で決まる。 なお、海氷ができるところでは、氷には塩分がはいりにくく、液体側に塩分の濃い水ができる。そして海氷のとけるところに塩分の薄い水ができる。
現在の世界の深海の水の大部分は、北大西洋の高緯度(グリーンランド付近)で沈みこんだものと推定されている。 放射性炭素の測定から、南大洋の深層水は約1000年前、北太平洋の深層水は約2000年前に北大西洋にあったものと推定されている。 北大西洋の表層水はもともと塩分が濃く(蒸発の多い地中海との水の交換があることもひとつの要因)、それが冷やされて密度が大きくなる。 北太平洋の表層水は塩分が薄いため、冷やされても北大西洋からまわってきた水ほどは密度が大きくならない。
熱塩循環に伴うエネルギー輸送は、表層が冷たい高緯度地域を例外として、 冷たい深層水と暖かい表層水が交換される結果、表層水の動く方向にエネルギーが 運ばれることになる。たとえば北大西洋では極向き、南大西洋では赤道向きである。
[注] 熱塩循環をすなおにとらえると、それを駆動する原因は、表面での加熱・冷却や、 降水・蒸発や海氷の凍結・融解に伴う塩分の変化と考えられる。 しかし、密度を大きくする原因も小さくする原因も表面にあったのでは 定常的循環をつくることはできないことが理論から示される。 密度差から深層循環ができるためには、 温度あるいは塩分の違いが深層に届く必要がある。 そのためには流れによるかきまぜが必要だが、 流れのエネルギーを密度差によってつくることは困難で、 風か、月などの潮汐力かのいずれかによる力学的エネルギー供給が必要だそうだ。 このしくみの場合、直接には密度差による大規模な対流と言ってよいのだが、 密度差が深層におよぶ原因としては、熱と塩分よりも、 風あるいは潮汐のほうが重要だということになる。 また、深層の循環にも、(空間分布は違うが)表層の循環と同様な、 風による駆動の働きが重要だという考えもある。 まだ定量的評価は定まっていないが、半分くらいは風による駆動かもしれない。 このような最近の理解によれば、 深層循環は熱と塩で駆動される循環とは言えないらしい。 しかし、温度と塩分によって決まる密度の分布によって 深層循環の形は大きく変わる。 熱と塩の働きが無視できないという意味で、 「熱塩循環」と呼ぶことは許されるだろう。 【潮汐が効く場合にはふれていないが、 参考書リストにあるVallis (2012)の本の 第4章の「the overturning circulation」の節の説明が比較的わかりやすい。】
http://www.pik-potsdam.de/~stefan/thc_fact_sheet.html
のページにPDFファイルがある。