小規模な渦は、重要な栄養塩を海洋中に運び、海洋生物の健全な生育を助ける。
MITの研究者によると、このような栄養塩の分布は、亜熱帯海域における炭素貯蔵の維持にも役立つ可能性がある。
これは、今後数十年にわたって海洋の炭素隔離能力が低下すると予測する多くの気候モデルとは対照的である。
亜熱帯循環(亜熱帯ジャイア)とは、赤道の北側と南側の地球の亜熱帯地域に持続的な循環を生み出す巨大な回転海流のことである。これらの循環は、世界中の巨大な海盆内を循環するゆっくりとした渦であり、海流が沿岸から沿岸へと回転する過程で、栄養塩、生物、時には漂流ごみを集めていく。
長年、海洋学者は亜熱帯循環内で相反する観測結果に頭を悩ませてきた。海表面では、これらの巨大な海流に、海洋の食物連鎖の基盤を担い、大気中の二酸化炭素の大部分を吸収する役割を果たす微生物、植物プランクトンが健全に生息しているように見える。
しかし、科学者が循環の力学について知る限りでは、海流そのものだけでは、観測された植物プランクトンを維持するのに十分な栄養塩を保てないと推定されていた。では、どのようにして微生物は繁殖できていたのだろうか。
現在、MITの研究者らは、植物プランクトンが循環の外側から栄養塩の供給を受けている可能性があり、その供給の担い手が、循環の縁を渦巻く、はるかに小規模な海流である渦であることを明らかにした。これらの渦は、栄養塩の豊富な赤道域から栄養塩を引き寄せ、循環の中心へと押し込む。そこで栄養塩は他の海流に取り込まれ、表層へとくみ上げられ、植物プランクトンの餌となる。
研究チームは、海洋の渦が亜熱帯循環における重要な栄養塩の供給源であることを明らかにした。研究者らが「栄養塩リレー」と呼ぶこの補充効果は、大気中から炭素を隔離する海洋の能力において中心的な役割を果たす植物プランクトンの個体群を維持するのに役立つ。気候モデルは今後数十年にわたって海洋の炭素隔離能力が低下すると予測する傾向があるが、この「栄養塩リレー」は亜熱帯海域の炭素貯蔵の維持に役立つ可能性がある。
「気候変動が続く中で海洋の炭素循環がどのように変化していくのかについては、非常に不確実性が大きい」と、MITの大学院生時代に本研究を主導し、現在はカリフォルニア工科大学でポスドクを務めるムクンド・グプタ氏は述べている。「私たちの論文が示すように、炭素分布を正しく把握することは容易ではなく、海洋における渦やその他の微細スケールの運動の役割を理解することにかかっている」。
グプタ氏と共同研究者らは、今週、その研究成果を次の学術誌で発表した。Proceedings of the National Academy of Sciences。本研究の共著者は、MITのジョナサン・ラウダーデール、オリバー・ヤーン、クリストファー・ヒル、ステファニー・デュトキエヴィッチ、マイケル・フォローズ、そしてリバプール大学のリチャード・ウィリアムズである。
雪の中の謎
海洋循環の断面は、密度によって層状になった重ねられた椀のように見える。表層には暖かく軽い層があり、深層には冷たく重い水塊がある。植物プランクトンは海洋の最上層の日光が届く層に生息し、そこで微生物は成長のために日光、温暖な気温、栄養塩を必要とする。
植物プランクトンは死ぬと、「海洋雪」として海洋の各層を沈降していく。この雪の一部は栄養塩を海流に放出し、それらは再びくみ上げられて新たな微生物の餌となる。残りの雪は循環の外へと沈み、海洋の最深層へと到達する。雪が深く沈むほど、表層へくみ上げられることは難しくなる。こうして雪は、放出されなかった炭素や栄養塩とともに閉じ込められ、隔離される。
海洋学者は、亜熱帯循環における主要な栄養塩の供給源は、再循環する海洋雪であると考えてきた。しかし、この雪の一部は必然的に海底へ沈むため、表層における植物プランクトンの健全な個体群を説明できる別の栄養塩供給源が存在するはずである。その供給源が何であるのかは、「しばらくの間、海洋学コミュニティを少し困惑させてきた」とグプタ氏は述べている。
縁に生じる渦
今回の新しい研究では、研究チームは他にどのような力学が働いているのかを確かめるため、亜熱帯循環のシミュレーションを試みた。対象としたのは北太平洋循環で、地球の主要な5つの循環のひとつであり、北太平洋のほとんどの海域を巡って、面積は2,000万平方キロメートル以上に及ぶ。
研究チームは、大気や海洋における物理的な循環パターンをシミュレーションする一般循環モデルであるMITgcmを用いた。北太平洋循環の力学を可能な限り現実的に再現するため、チームはNASAとMITが以前に開発したMITgcmのアルゴリズムを使用した。このアルゴリズムは、人工衛星によって記録された海流や、船舶およびドリフターによって取得された水温と塩分の測定値など、実際の海洋観測データに合うようにモデルを調整するものである。
「モデルの仕組みと利用可能な観測データを考慮すると、可能な限り現実に即した物理的な海洋のシミュレーションを行っている」とラウダーデール氏は述べている。
北太平洋のアニメーションは、海面下500メートルにおけるリン酸塩の濃度を示している。渦巻きは、栄養塩の豊富な赤道域(淡い色)から、栄養塩の乏しい亜熱帯域(濃い色)へ北向きにリン酸塩を運ぶ小規模な渦を表している。この栄養塩リレーの仕組みは、亜熱帯海域の生物活動と炭素隔離を維持するのに役立つ。
この現実的なモデルは、解像度が1ピクセルあたり20キロメートル未満という、より細かい詳細を捉えた。これは解像度がより限定的な他のモデルと比較したものである。研究チームは、海洋の物理的挙動のシミュレーションと、ダーウィンモデル(植物プランクトンなどの微生物群集と、それらが海洋の状況に応じて成長・進化する様子をシミュレーションするモデル)を組み合わせた。
研究チームは、北太平洋循環について、この組み合わせたシミュレーションを10年間実行し、循環の内外における海流とそれが運ぶ栄養塩の分布パターンを可視化するアニメーションを作成した。そこから明らかになったのは、巨大な循環の縁に沿って流れる小規模な渦であり、それらは栄養塩に富んでいるように見えた。
「私たちは、海洋における天気システムのような、小規模な渦の動きを捉えていた」とラウダーデール氏は述べている。「これらの渦は、赤道から高栄養の海水の塊を運び、循環の中心へ北向きに、そして鉢の側面に沿って下向きに運んでいた。私たちは、この渦による輸送が重要な供給の仕組みではないかと考えた」。
驚くべきことに、栄養塩はまず日光から遠ざかるように深くへ移動し、その後、植物プランクトンが生息する表層へ戻ってくる。研究チームは、海洋の渦が亜熱帯循環の栄養塩の最大50パーセントを供給しうることを明らかにした。
「これは非常に重要だ」とグプタ氏は述べている。「海洋雪から栄養塩を再循環させる鉛直方向のプロセスは、全体の半分に過ぎない。残りの半分は、これらの渦による補充効果である。亜熱帯循環は世界の海洋の大きな部分を占めているため、この栄養塩リレーは地球規模で重要であると私たちは考えている」。
