LESSON H1
深海環境とは
p. 69～78

2023年度 教養課程：地球環境科学の最前線
担当：熊本大学大学院

A&B

横瀬久芳（海洋火山学）

深層流
混ざり合わない表層と深層
深層水の地域性（ＴＳダイアグラム）
水の年代を計ろう
１．トリチウム
２．炭素１４年代測定法
熱塩循環
深層大循環ブロッカーのベルトコンベアモデル
北大西洋海流（湾流）の北上

海洋表層の平面的特徴は、太陽、海流そして大気循環でコントロール

深海の海水は、何がコントロールしているのだろう海洋表層における水塊の区分

深海底の海水にも水塊の区分はあるのだろうか？

海水は密度成層した3層構造
軽い海水
表層

深さ（km）

密度躍層

高緯度

深層

重たい海水

低緯度

深層水は、塩辛くて重たい海水
密度躍層

塩分躍層
表層

深さ（km）

塩分躍層

深層

密度1000ｍ

塩辛い海水

塩分深層水は、冷たくて重たい海水
密度躍層

温度躍層
表層

深さ（km）

密度躍層

深層密度

冷たい海水

温度（℃）

深層水と表層水の比較
表層の海水：

軽くて、暖かくて、あまり塩辛くなく、変化に富む→蒸発と降雨で決まる

深層の海水：

重たくて、冷たくて、塩辛
く、変化に乏しい
成因⇒極域で生産される

深海と表層海水が上下方向で攪拌されない理由

簡単な実験で説明

白熱電球で30分間暖めると

表面と内部の温度差

表面温度
30℃

ビーカー
底
26℃
イソジンは底に沈んだまま約30分後、表面は30℃、底は26℃ イソジンは撹拌されないもしも、海が鍋のように下から暖められたら140℃のホットプレート

経過時間
表面水温
撹拌状況

0分
29℃
未撹拌

２分
２９℃
半分撹拌

３分
２９℃
全部撹拌

２分の経過時の対流状態上昇し始めたイソジン水であるが、まだ重いので中間点ぐらいまでしか上昇できない。

３分経過時の対流状態

下層のイソジン水が温まって、軽くなり最上部まで到達できるようになる。上層を占めていた相対的に重たい水が退くことで、スペースが確保される。

深層水とは、いったい何者？
• 深層水は、世界中で均質なのだろうか？
• 不均質だとしたら、何が不均質性をもたらすのだ
ろうか？
• そもそも、深層水ってのは、どこでできるの？
• どうやって、できるのか？

深層水の分布を抑えよう！
海水の温度構造や塩分構造を調べる

XBT

CTD計測

北緯20度付近の海水の温度構造

表層
躍層

深層

温度

塩分・温度・密度の関係（ＴＳダイアグラム）

塩分（パーミル：千分率）

キャべリング効果

異なった海水が混合することで、端成分よりも高密度の海水ができる。

外洋における海水のプロファイル

温度

表層

深海底

塩分（パーミル）各海洋の化学的個性(海水はなかなか混ざらない）TSダイアグラムによる水塊の特徴

淡水の流入や熱による蒸発、太陽の照射時間などで表層部は、変化に富む。一方、１０００ｍよりも深い部分は、０℃、34.5-35.0 psu 程度の海水に収斂する。北大西洋深層水（高塩分）、南極低層水（低塩分）

AABW（南極底層水）：Antarctic Bottom Water
NADW（北大西洋深層水）：North Atlantic Deep Water

Stommel (1957)

によって推定された深層大循環モデル

世界の深層水（おおよそ１０００ｍ以深）の海水は表層大循環とは異なる循環系に支配される。それはグリーンランド南のイルミンガー海と南極のウエデル海で生産される、冷やされて重くなった海水の循環。沈降量は、何れも約22Ｓｖ（スベルドラップ、１Ｓｖ．＝106ｍ3／ｓｅｃ）

大西洋における塩分極小値の水深分布
北大西洋深層水

南極底層水

大西洋における水塊の垂直分布

北大西洋深層水

南極底層水

熱塩循環（ねつえんじゅんかん）• 自然の特殊な条件が揃うと• そこでは大気によって冷やされた• 特殊な塩辛い海水が、• 深海底まで沈んでいく。
• その結果、表層海水と深層水の攪拌が起こる。

教科書のBOX4参照
凍った湖で、ワカサギ釣りができる
理由

淡水は4℃で密度が最大となり、氷はじめると一気に密度が小さくなる。

塩分濃度と最高密度に達する温度塩分が増加することで、海水の密度増加は、温度減
少とリニア―な関係になる。

流氷や氷山は、塩辛いか？

海水は、およそ-1.8℃で氷はじめる。（塩分に依存）極域での結氷、流氷、氷河、氷山
降雪
棚氷
流氷

氷山

熱塩循環を作り出す極地方

ポリニヤが果たす役割

南極大陸

南極のWeddell海の冬季氷結した海氷に発生するpolynyaと呼ばれる穴は1970年代中ごろに初めて観察されて以来、不規則な間隔で現れるが、常にほぼ同じような地域に発生する。

熱塩循環は垂直方向

冷却
極域

赤道加熱

温度躍層

深部拡散
沈降

深層流の流れ方を知る•どんなふうに流れているのか？
•どのくらいのスピード？
•経路は？

海水の年代を計ろう（年代測定法）

一万年よりも若い試料の年代測定

放射年代測定の原理•放射年代測定とは？
•Ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅｄｅｃａｙ•トリチュウム（３H) の年代測定•炭素１４（１４C)による年代測定トリチュウム（３H)の年代測定
14Ｎ+ｎ→

3Ｈ＋12Ｃ

宇宙線の照射によって作り出される。
3Ｈ+

β →

3Ｈｅ

（半減期12.26）

トリチュウムはβ壊変して、ヘリウムに変化する。
海水表面における3He/4He（1.384*10-6）は大気と平衡状態にある。この時1g中の海水には、6*10-14ｃｍ３の3Heが含まれていることになる。
大気との交換が絶たれると、３Hからの３Heが増加し、上記の比が高くなる。

炭素年代測定法

1ｎ+ 14Ｎ→14Ｃ+1Ｈ
大気中の窒素が中性子線によって放射性炭素に変わる。
14Ｃ→ 14Ｎ+β

その炭素は、β壊変して窒素に戻る。そのときの半減期は、５７３０年である。
宇宙線量が一定なら、生産される放射性炭素の量は一定と仮定する。

トリチウムの水深変化
放射性元素の基本：トリチュウム
1950年代、60年代に数多く行われた大気圏内の核実験によりつくられた、放射性同位体です。これ
らの同位体は自然界にはもともとなかったか、ごくわずかしか存在しないもので、核実験により成層圏に舞い上がったものが、世界的に広がり、10年ほどで対流圏に戻り、雨によって海洋表面に供給されたものです。これらの同位体の分布を調べると、1950年代からの表層にあった海水の動きを読みとることができます。調査の結果、ほとんどの海洋でトリチウムなどの元素は表層付近数百mに分布が限られ、海水の鉛直方向の混合が起きにくいことを示しましたが、北大西洋では、4000mの深海までこれらの同位体が到達していることが観測された。

大気圏内核実験の例
ツアリーボンバー：人類史上最大の水爆実験，1961年
広島型原爆の3300倍の威力を持つ。

サルガッソウ海の年代値と水深の関係

海域による深層水の年代の違い
放射性炭素が多い

14Ｃ 12Ｃ

放射性炭素が少ない

赤道
赤道
Δ14Ｃ= {[14C/12C sample ]/[14C/12C standard]-1} *1000 (千分率)緯度

炭素同位体比からもとまった海水の年齢
北極

南極

赤道

西太平洋の海水の年齢

北極

赤道

西太西洋の海水の年齢

南極Wallace Broecker による
Thermohaline conveyor belt
(ベルトコンベアモデル)

もっと立体的な深層流のモデルを構築。
オレンジ色の部分は、最浅部でも1000ｍ前後を想定している。

ONEPIECEもパクる海洋学

深層流循環をわかりやすく説明した著
名な図：Wallace Broecker 博士による有名なベルトコンベアモデル

集英社発行：ONEPIECE 第62巻 604話よりお！！！！フランキーも同じ図を使って説明してるぞ

ＯＮＥＰＩＥＣＥの作者である尾田栄一郎氏（熊本県熊本市出身）は、“海洋学”を熱心に勉強しているとしか思えない。

北大西洋海流の北上する理由

最近のモデル大気中の二酸化炭素を深海底に運び去る

Global air-sea flux of CO2: An estimate based on measurements of sea–air pCO2 difference；TARO TAKAHASHI*, RICHARD A.
FEELY†, RAY F. WEISS‡, RIK H. WANNINKHOF§, DAVID W. CHIPMAN*, STEWART C. SUTHERLAND*, AND TIMOTHY T. TAKAHASHI（1997）なので、深層大循環が止まると大気中の二酸化炭素濃度が上がる

深層流循環と地球温暖化問題• 教科書ｐ８６-８７を参照してください。

ここまで