• 花輪 公雄, 2017: 海洋の物理学 (現代地球科学入門シリーズ 4)。共立出版, 210 pp. ISBN 978-4-320-04712-9.

2017年4月の新刊。わたしは6月に買った。

「海洋学」のうち、海底に関する分野を別にして、海水からなる海洋に関する分野を、観点・手法の面から、海洋物理学・海洋化学・海洋生物学と分ける。日本語では「海洋物理学」だが英語ではphysical oceanographyがふつうで、物理学の分野というよりも、物理的観点・手法による海洋学をさした分野名だ。

海洋物理学というと、わたしは、流体の運動方程式にもとづく海洋力学をおもに考えてしまうが、それはおそらく東京大学の地球物理で教育を受けたせいだ。本書では、運動方程式が出てくるのは、まんなかに近い第7章で、力学の話題はそこからあとに限られているが、それよりも前も、物理量に注目した海洋の話だ。

本書で話題が提示される順序は、必ずしも体系的ではないと思うが、体系的にするのはむずかしい。(基礎から述べようと思うと、はじめの部分がひどく抽象的なものになってしまうだろう。) 本書は、学部3年生向けの講義のノートをもとにしているそうなので、学生にとって新しい知識を提示していく順序としては、よいのだと思う。

ただ、わたしは本書の予告を見て、海洋の深層循環(熱塩循環)に関して、入門者にわかりやすい表現で書かれていることを期待したのだった。(海洋物理学者のうちには、黒潮やエルニーニョ現象などの表層の力学が専門の人が多いなかで、花輪さんは深いところをよく見ているにちがいないと思ったのだ。)

5.3節あたりに、深層にはどのような「水塊」がどこに分布しているかの話はある。また、6.4節で、深層循環に関する観測事実の要約として、Broeckerの「コンベアーベルト」や、Schmitzの「overturn」の図式が示されている。深層循環のメカニズムの説明は、8.4節にあるが、簡単すぎる。まず「先に、深層(熱塩)循環は密度差から起こる対流的な循環であることを述べた」(104ページ)とあるのだが「先」として参照された記述が見つからない。これはわたしが見落としている可能性もあるが、そうだとしても記述は短いものにちがいない。8.4節では、Stommelの1958年の理論(とその後の観測研究)にもとづく深層西岸境界流を含む構造が示されているだけである。

深層循環は、温度と塩分で決まる密度の不均一による広い意味の対流として説明されてきたが、密度を高くする原因も低くする原因も海面付近にある。深層に達する循環はこれだけではできず、風または潮汐によるかきまぜが必要だ、という話がある。(わたしの教材ページ[海洋の大循環]の「熱塩循環｣の部分の「注」として、2008年ごろ勉強したことを書きこんだ。) 本書にはその話も見あたらない。11.6節「内部潮汐と海洋混合」に、潮汐による鉛直混合の話はあるが、深層の大循環と関連づけられてはいない。

残念ではあるが、著者がおもに見てきたのが北太平洋であり、そこでは深層水が形成されず、海洋循環を表層と深層にきれいに分けることがむずかしいので、教科書的に書くのがむずかしいのだろうとも思う。

わたしは北太平洋の高緯度の表面付近で冷やされた水は中層水になるのだと思っていた。本書では5.3.2節に「北太平洋中層水」が出てくるが、これは低塩分を特徴としていて、表層で冷やされて沈んだ水だとも、そうでないとも書いてない。ただし、北大西洋深層水(NADW)の話のあとで、「太平洋にはNADWにあたる水塊はない。…北太平洋は…表層の水は低塩分であるため冷却されても高密度の水をつくれないためである。」とは書いてある。他方、5.3.3節で、表層の水塊のひとつとして「北太平洋亜熱帯モード水」(NPSTMW)というものが出てきて、「NPSTMWは、日本に近い海域で、冬季の冷却と混合により形成された厚い表層混合層で形成される。」とある(59ページ)。わたしは「モード水」ということばを聞いてはいたものの、中層水と混同していたのだが、別であることを認識した。

ここから、順を追って各章に書いてあったことのメモ。

「第1章 地球の海」。海水の話にはいるまえに、その いれもの としての海盆の大きさや形を説明している。

「第2章 海水の性質」。
2.2節「水の性質」では、水が、比熱容量、融解の潜熱、蒸発の潜熱、表面張力が、いずれも大きい物質であることを述べている。
2.3節「海水の組成」。そのうち2.3.2節「塩分」。「塩分」の定義の変遷の概略を述べている(厳密な定義は省略している)。質量比 → 滴定で塩素を計測 → 電気伝導度を計測 (実用塩分) → 質量比 (絶対塩分)。「しかしながら、絶対塩分を簡便に直接計測する手法は見出されておらず、これまでどおり実用塩分を計測して換算や補正をすることが行なわれている。」 また、「 “塩分濃度” という用語は誤りである。」と主張している。
2.4節「密度」。海水の状態方程式、ポテンシャル密度・ポテンシャル水温(温位)、結氷・融解点温度、最大密度温度、音速。

「第3章 地球の熱収支」。3.1-3.3節の話題は海洋学というよりも気候システム論で、おもに大気と地表面のエネルギー収支がどんな項から成り立っているか。3.4節で、海洋によるエネルギー(熱)の南北輸送 (そのグラフはHartmann 1994 Global Physical Climatology 初版[第2版の読書メモ]から引用)。

「第4章 海洋への強制力」。海面でのエネルギーフラックス、淡水フラックス、運動量フラックス=風応力について。4.2節では観測されている量から海面フラックスの数値を求める方法としての「バルク法」を紹介する。4.3-4.5節でフラックス各項の地理的分布を示す。

「第5章 海洋の成層構造」。5.1節「海洋の成層」では、水温躍層(thermocline)などの躍層、混合層などの話題を含む。5.2節で「水塊」という考えかたが示される。5.3節「水温と塩分の分布」では、数値の等値線をふくむ平面図と断面図を示しながら、深層水、底層水、中層水、モード水などと名まえがついた水塊を紹介する。5.4節「水塊の移動と変質」では、乱流による混合があることを指摘し、乱流を発生させるしくみを列挙し、そのひとつである「二重拡散対流」を説明している。

「第6章 海洋の大循環」。この章の話題は、海洋の大規模な循環についての、流れの数量を知る方法と、知られた現在の循環の記述である。
表層の循環の記述(6.2節)では、赤道循環、亜熱帯循環、亜寒帯循環、西岸境界流、そしてインド洋のモンスーンに伴う季節によって変わる海流などの話題がある。
中・深層の循環を知る方法(6.3節)については、流れの直接計測が少ないので密度場やトレーサーの分布からの推定がおもになっているという話がある。
深層の循環の記述(6.4節)については上に述べた。

「第7章 海水の運動方程式と地衡流」。流体のNavier-Stokes方程式が基本である。ただし座標系が慣性系ではなく回転系である。球面で考えるのが基本だが、接平面近似で得られる直交直線座標系の式をおもに紹介している。運動方程式の各項は、時間変化項、移流項、コリオリ力、圧力傾度力、粘性項である。運動方程式の各項の大きさを見積もる(「スケールアナリシス」という)。鉛直方向は静水圧近似、水平方向は地衡流近似が成り立つことが多い。

「第8章 海洋大循環論」。おもに、表層の亜熱帯循環系 (黒潮などを含む)の形成について順を追って論じている。風に対する海洋の応答としてEkman層ができる。Ekman輸送の収束・発散による質量移動がある。そして大規模で定常な流れの場は、海盆の内部でSverdrup balance (Sverdrup 1947)の状態になる。ただし海盆の西の端近くではこのつりあいが成り立たず西岸境界流ができる(Stommel 1948)。
深層循環に関する議論(8.4節)については上に述べた。

「第9章 海洋の短周期波動」「第10章 海洋の長周期波動」。
まず波動一般の基本的性質。
それから水の波の性質。復元力によって、重力波、表面張力波、惑星波がある。惑星波というのは、地球の自転の効果をあらわすコリオリのパラメータの緯度によるちがいを復元力とする波動である。
また、水の波には「外部モード」と「内部モード」がある。
第9章では、波浪(風波、うねり)、津波、境界面に生ずるKevin-Helmholtz不安定波、内部重力波、
第10章では、慣性重力波、ロスビー波、ケルビン波(沿岸、赤道)が扱われている。

「第11章 潮汐と潮流」。この主題の基礎知識を述べている。
細かいことだが、図11.6 「世界の海洋における主太陰半日周潮の等潮差図と等潮時図」は、表題の用語が少しちがうが、『理科年表』の地学の部に2017年の巻にはあって2018年の巻[読書メモ]からなくなった図と同じものである。
11.5節「潮位資料を用いた海洋変動の検出」は、「検潮所」は水位を継続観測しているので、その記録からは、潮汐だけでなく、たとえば黒潮の大蛇行などの海洋変動についても知ることができるという話。

「第12章 海洋の観測と監視」。
現場観測(船、係留系、漂流ブイ)とリモートセンシングにわたる、観測についての概説。船による観測のうちでは、WOCE (1990-2002年)で実施されその後もくりかえされている定線観測の話、漂流ブイについてはアルゴ(Argo)フロートの話がおもになっている。
12.6節「データの取り扱いポリシー」。IGY (国際地球観測年)を機会につくられたWDC (世界データセンター)というしくみがある。海洋に関するWDCは、アメリカ合衆国のNOAAのNODCが担当している。そして、WOCE以来、研究観測のデータは観測後2年以内にWDCから世界に公開されるというポリシーがある。【ただし、最近、WDCのしくみがWorld Data Systemに移行したこと、NOAAの中の改組でNODCがNational Centers for Environmental Informationの部分になったことにはふれていない。実質業務はあまり変わらず継続されているようだが。また、著者は「多くの分野でWDCは機能しなかったといわれている」が、海洋では機能してきたと言っている。わたしから見ると、WDCが機能してきた分野はほかにもいくつもある。ただし、日本の海上保安庁海洋情報部にあるJODCなど、各国にWDCではないがWDCと連携するデータセンターが整備され、それがデータを集めてWDCに送る体制ができているのは、おそらくほかの分野には見られない海洋分野の特徴なのだと思う。】

「第13章 気候変動と海洋」。
気候システムの中で、海洋の特徴(大気とのちがい)は、熱的慣性が大きく、移流、拡散、滞留のいずれの時間スケールも長いことと、可視光に対して不透明なことである。海洋は「記憶装置」として働く。
13.4節ではエルニーニョ、13.5節では太平洋数十年変動 (PDO)について、やや詳しく論じている。

「第14章 地球温暖化と海洋」。
地球温暖化にとって、海洋のおもな役割として、温室効果気体の吸収と、熱の吸収がある。また、地球温暖化のいわば「副作用」として、海水位の上昇と、海洋の酸性化がある。
最後の14.5節では、これまでにおきた水温・塩分・循環の変化について述べている。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。

== 目次 ==
現代地球科学入門シリーズ 刊行にあたって /編集委員一同
序文
目次
第1章 地球の海
– 1.1 地球と海の誕生
– 1.2 大陸と海洋の配置
– – 1.2.1 大陸地殻と海洋地殻
– – 1.2.2 プレート・テクトニクス
– 1.3 海の分布
– 1.4 海底の形状
– 1.5 海底地形の観測
– – 1.5.1 水深の計測
– – 1.5.2 水深データ
第2章 海水の性質
– 2.1 地球表層の水とその循環
– 2.2 水の性質
– 2.3 海水の組成
– – 2.3.1 海水に溶存している物質
– – 2.3.2 塩分
– 2.4 海水の密度
– – 2.4.2 海水の状態方程式
– – 2.4.2 温位とポテンシャル密度
– – 2.4.3 海水の結氷・融解点温度と最大密度温度
– 2.5 海水中の音波
第3章 地球の熱収支
– 3.1 太陽放射と地球放射
– 3.2 熱の移動の形態
– – 3.2.1 放射
– – 3.2.2 顕熱輸送
– – 3.2.3 潜熱輸送
– 3.3 地球上での熱の移動
– 3.4 熱の南北輸送
第4章 海洋への強制力
– 4.1 海洋への強制力
– 4.2 バルク法
– – 4.2.1 顕熱フラックス
– – 4.2.2 潜熱フラックス
– – 4.2.3 正味短波放射フラックス
– – 4.2.4 正味長波放射フラックス
– – 4.2.5 正味淡水フラックス
– – 4.2.6 運動量フラックス (風応力)
– 4.3 海面熱フラックスの分布
– 4.4 淡水フラックス
– 4.5 運動量フラックス(風応力)の分布
第5章 海洋の成層構造
– 5.1 海洋の成層
– – 5.1.1 成層と躍層
– – 5.1.2 混合層
– 5.2 水塊
– 5.3 水温と塩分の分布
– – 5.3.1 水温と塩分の水平分布
– – 5.3.2 水温と塩分の鉛直分布 — 中層と深層の水塊
– – 5.3.3 モード水 — 表層の水塊
– 5.4 水塊の移動と変質
– – 5.4.1 水塊の移動と変質
– – 5.4.2 二重拡散対流とキャベリング
第6章 海洋の大循環
– 6.1 海洋の流れの測定
– 6.2 表層の循環
– – 6.2.1 北太平洋の表層循環
– – 6.2.2 他の海洋の表層循環 — 西岸境界流
– – 6.2.3 インド洋の表層循環系 — インド・モンスーンへの応答
– – 6.2.4 南太洋の海流 — 南極周極流
– 6.3 中・深層の循環
– 6.4 海洋の3次元循環
第7章 海洋の運動方程式と地衡流
– 7.1 回転系の運動方程式
– – 7.1.1 非回転系のナビエー・ストークスの式
– – 7.1.2 地球上の流体の運動を記述する方程式
– 7.2 運動方程式の各項の意味
– 7.3 スケール・アナリシス
– 7.4 地衡流近似方程式系
第8章 海洋大循環論
– 8.1 風に対する海洋の応答 — エクマン層の理論
– – 8.1.1 エクマン層の理論
– – 8.1.2 エクマン層の厚さと輸送量
– 8.2 エクマン流の収束発散とスベルドラップバランス
– – 8.2.1 エクマン流の収束発散
– – 8.2.2 スベルドラップバランス
– 8.3 西岸境界流
– 8.4 深層循環論
第9章 海洋の短周期波動
– 9.1 波の基本的な性質
– – 9.1.1 波の基本要素
– – 9.1.2 水の波
– – 9.1.3 位相速度と群速度
– – 9.1.4 波の分類
– 9.2 波浪と津波
– – 9.2.1 風波とうねり
– – 9.2.2 津波
– 9.3 境界面波と内部重力波
– – 9.2.1 ケルビン・ヘルムホルツ不安定
– – 9.2.2 内部重力波
第10章 海洋の長周期波動
– 10.1 浅海方程式系
– 10.2 慣性重力波
– 10.3 ロスビー波
– – 10.3.1 非発散性ロスビー波
– – 10.3.2 発散性ロスビー波
– – 10.3.3 地形性ロスビー波
– 10.4 ケルビン波
– – 10.4.1 沿岸ケルビン波
– – 10.4.2 赤道ケルビン波
– 10.5 海洋内部の長周期波動
第11章 潮汐と津波
– 11.1 潮汐
– 11.2 起潮力
– 11.3 平衡潮汐論と動的潮汐論
– – 11.3.1 平衡潮汐論
– – 11.3.2 動的潮汐論
– 11.4 潮流
– 11.5 潮位資料を用いた海洋変動の検出
– 11.6 内部潮汐と海洋混合
第12章 海洋の観測と監視
– 12.1 海洋の観測と監視
– 12.2 船舶による海洋観測
– 12.3 海洋の現場観測
– – 12.3.1 オイラー型観察とラグランジュ型観察
– – 12.3.2 船舶による定線観測
– – 12.3.3 係留系観測
– – 12.3.4 漂流ブイによる観測
– 12.4 海洋のリモートセンシング
– 12.5 XBTとADCP観測
– – 12.5.1 投下式機器
– – 12.5.2 音波ドップラー流速計
– 12.6 海洋観測データの取扱いポリシー
第13章 気候変動と海洋
– 13.1 気候システム
– 13.2 大気海洋相互作用システム
– – 13.2.1 大気と海洋が貯える熱量
– – 13.2.2 可視光線に対する大気と海洋の吸収の性質
– – 13.2.3 大気と海洋の時間スケール
– 13.3 記憶装置としての海洋
– 13.4 エルニーニョ
– – 13.4.1 エルニーニョと南方振動
– – 13.4.2 エルニーニョに対する指数
– – 13.4.3 エルニーニョ・ラニーニャ時の世界の特徴的な天候
– – 13.4.4 テレコネクションパターンとエルニーニョ
– 13.5 太平洋数十年変動
– – 13.5.1 アリューシャン低気圧の消長
– – 13.5.2 太平洋数十年変動
– – 13.5.3 太平洋数十年変動のメカニズム
第14章 地球温暖化と海洋
– 14.1 温室効果気体の増加
– 14.2 地球温暖化の仕組み
– 14.3 地球温暖化に果たす海洋の役割
– – 14.3.1 海洋による温室効果気体の吸収
– – 14.3.2 海洋による熱の吸収
– 14.4 海水位の上昇と海洋の酸性化
– – 14.4.1 海水位の上昇
– – 14.4.2 海洋の酸性化
– 14.5 地球温暖化と海洋の成層や循環の変化
– – 14.5.1 海水温の変化
– – 14.5.2 塩分の変化
– – 14.5.3 海洋循環の変化
参考文献
索引
欧文索引