博 士（理学 ）牛尾 収輝
学 位論文題 名Laboratory studies on supercoolingand rapid underwater− 1CeproduStionprOCeSSeS
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・（ 厳冬期の 沿岸ボ リニア域 における 過冷却 および水 中 氷 の 急 速 生 産過 程 に関 す る 実験 的 研究 ）
学位論文内容の要旨
厳冬 期の極 域海 洋に おい て表面を覆う海氷は海水に対して上蓋の働きをするた

め 、大 気―海 洋周 の熱 や水 蒸気などの交換を抑制する。海氷域内には氷に覆い尽くされ ず、 水面が 顔を 出し た開 水面領域が随所に見られる。このぼっかり開いた窓のよ うな 存在で ある 開水 面を ポリニアといい、エネルギー・物質交換が活発な場であると 考え られて いる 。全 海氷 域の一割以上の面積を占めるボリニアは極域のみならず地球 規模 の気候 変動 過程 に多 大な影響を及ばすことが指摘されているが、その物理的素
過 程に ついて は未 解決 の問 題が多い。本研究では大陸や島の風下側に形成される「沿岸 ポリ ニア」 を対 象と して おり、厳しい寒気にさらされた開水面における海氷生産過
程 の解 明を目 的と する 。第 31次日本南極地域観測において昭和基地沖に形成される沿岸 ポリ ニアの 水温 分布 を通 年にわたって測定した。その結果、表面の対流混合層が深さ約400mまで発達し、その水温値がほぽ結氷温度（−1．9〜―1．8℃）に維持されている事
実 を捕 らえた 。ま た強 風時 には新成海氷が風下の氷盤に吹き寄せられ、蓄積している様 子も 観測し た。 この 現場 観測の結果に基づぃて、沿岸ポリニア域を想定した低温室
内 実験 を行っ た。 結氷 温度 にある海水が強冷風にさらされながら海氷生産する状況を
実 験水 槽内に 再現 し、 一連 の実験結果を用いて、風で維持された開水面における海氷生産過程について考察した。
室温 を―10℃以 下に 制御 した低温室内に透明アクリル製の大型水槽を設置した。中に 満た したNaCl溶 液を 攪拌 し毅がら水全体を一様に冷却していき、その塩分で決まる

結氷温度 に達した時 点で攪拌を 止め、水面上で送風を開始した。氷晶（frazilice）と
呼 ぱれ る微細 な氷結晶が 発生しては 風下に輸送 され、水槽 の風下側に 次々と蓄積 していくこと により、開 水面が維持 さ〜れた。室温、風速、塩分を変えた様々な条件下で実験 を行 い、風 下の氷蓄積 量、水槽内 の温度・塩 分の変化な どを測定し た。その結 果、
強 風か つ高塩 分の場合に は水中にお ける氷晶の 大量生産が 盛んになり 、厚い蓄積 層が形 成さ れた。 そしてこの 時は広い開 水面が長時 間維持され た。水槽風 下の氷蓄積 量の時 間変 化から 算出した氷 生産速度は 低温、強風 、高塩分で あるほど大 きく、また 時間と とも に開水 面の大きさ が減少する にも関わら ず、次第に 増大した。 氷生産速度 の最大 値は 板状海 氷が急速成 長する場合 の3〜5倍に達し た。一方、 低塩分の時 は短時間の内 に水 槽表面 が多くの氷 晶で覆われ る傾向が強 く、水中氷 の生産は少 ない。氷の 急速
生 産に 大きく 寄与する水 中氷の発生 について調 べるために 、水槽内の 温度及ぴ塩 分を測定した 結果、氷生 産しながら も過冷却状態が長時間維持されていることを確かめた。
塩 分25髭以上の塩 水の場合は 全層で過冷 却状態が形 成・進行し たが、塩分 が小さい場
合 は全 層にわ たる大きな 過冷却は認 められず、 表層付近の みの冷却が 顕著であっ た。
こ の現 象を解 釈するため に結氷温度 近傍の海水 の物理的性 質について 検討した。 海水の密度を 与える状態 方程式を用 ・いて、過冷却状態と結氷温度にあるそれそれの水の密度 を比 較して 、その塩分 特性を調ぺ た。真水や 塩分25騙未満の 低塩分水と は異なり、
塩 分25驕以上の海 水は過冷却 すると結氷 温度にある 水より密度 が増す。さ らに同一の過 冷却 度でも 塩分増大と ともに密度 増大量が増 すことがわ かった。っ まり海水で は塩分 が高 いほど 過冷却した 時、密度に 関する不安 定度が増し 、寒気が下 層ヘ効果的 に侵入 し得 る性質 を持っとい える。水面 が寒気にさ らされても 風の弱い穏 やかな条件 の下で は、 表面に 形成された 過冷却水は 下層に沈降 する前に結 氷し、表面 が氷で覆わ れた
後 は過 冷却状 態の進行の 度合いが小 さいことも 実験で示さ れた。強風 が過冷却水 の一部 を風 下ヘ、 かつ密度不 安定により 下層ヘ輸送 し、周囲の 水と混合し ながら水を 効率
良 く冷 却する 。そして過 冷却水の沈 降を補う形 で、相対的 に低密度の 結氷温度の 水が水面に輸 送され、寒 気に熱が奪 われると、新たに過冷却水が形成される。こ．の繰り返
し によ り過冷 却が進行し ていく。ま た沈降した 過冷却水か ら氷生産が 起こる水中 氷晶の 発生 も開水 面の維持を 促進し、激 しい放熱を 持続させる 。本実験で 用いたNaCl溶液
は 天然 海水と 類似した物 理的性質を 持っており 、急速かつ 大量な海氷 生産、特に 水中氷 の生 産過 程 にお い て海 水 の特 性が 重 要な役割を果た していると解 釈できる。
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さら に 塩水 からの 氷生産と同 時に起こる 特徴的な現 象として、 プラインに よる塩排出があ る。ブライ ンは元の塩 水より高密度であるため水中で対流を引き起こしながら、周 囲の 水 と混 合し て、水を徐 々に高塩分 化させてい く。沿岸ポ リニアが海 洋に与える効 果を 評 価す るた めにも、急 速な氷晶生 産に伴う塩 排出過程を 調べること が不可欠であ る。 そ こで 実験 水槽内の水 を一定時間 間隔で採取 し、測定し た塩分の変 化量から塩フ ラヅ ク スを 見 積 もっ た 。塩 フ ラッ ク スは 板 状海氷が急 速成長する 場合のそれ より1桁大き ぃ値を示し た。氷生産 速度の比較では数倍の差であったことを併せて考えると、
氷 と塩 の 分離 の度 合に関して も板状海氷 とは異なる ことが予測 された。ブ ライン排出の 様子 を シャ ドウ グラフ法と いう光学的 可視化法を 用いて観察 した。これ は平行光線を 通し た 水槽 内に 生じた密度 差が光の屈 折率の違い を生み出す

かげろうの原理を応 用し て 、高 塩分 ブラインを 可視化する ものである 。風下の氷 晶蓄積層の 縁で多くのプ ライ ン 流下 が鮮 明に捕えら れた。また 浮上しつっ ある水中氷 晶から高塩 分ブラインが 分離 ・ 沈降 する 様子も観察 され、氷と 塩の効果的 な分離の可 能性が示さ れた。塩水か ら氷 晶 が生 産き れた時、そ の氷晶を構 成する水に 溶け込んで いた塩を氷 晶表面に付着 させ る こと なく 、また氷晶 同士の間に 取り込むこ となく、周 囲の水にど の程度分離・ 排出 す るか を 測 定値 か ら見 積 もっ た 。そ の 結果、氷晶 生産に伴う 塩排出率は 約9割にも達 し、板状海 氷成長の場 合の約2倍も効率 良く塩を排 出している ことがわかった。
板 状海 氷 の場 合、 急速成長す ると排出プ ラインを機 械的に氷の 結晶間に閉 じ込めてしま う傾 向 が強 まる ため、塩の 排出率は成 長速度の増 大と共に減 少する。こ れに対して
氷 晶の 場 合は 急速 生産しても 大部分の塩 を周囲に排 出している 。開水面が 存在する限り 継続 可 能な 氷晶 の急速生産 に伴い大量 の塩がプラ インの姿で 排出される ため、同一の 冷却 期 間で も定 着氷が厚さ を増す場合 より表層の 高塩分化へ の寄与が大 きい。さらに こ の 高 塩 分 化 が 過 冷 却 水 の 密 度 不 安定 化 を促 進 する 可 能性 も考 え られ る 。
この よ うな 開水面 における海 氷の急速生 産過程の駆 動には、氷 を吹き流す ほどの強い 風が 海 上で 吹い ていること を必要条件 とし、海水 が25競以上の 塩を含んで いることが過冷 却や水中氷 晶生産を弓 ｜き起こすために本質的に重要である。そして氷晶生産時の ブラ イ ン排 出に よる表層海 水の高塩分 化は、厳冬 期に現れた 沿岸ポリニ アが極域海洋に与 える大きな 影響のひと っとなるこ とが考えら れる。

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学位論文審査の要旨

主査 教授
副査 教授
副査 教授
副査 助教授若土金成
竹内日比谷正曉誠一
謙介
紀之

学 位 論 文 題 名Laboratory studies on supercoolingand rapid underwat
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ner coast
al polynyas.
（ 厳冬 期の沿 岸ボ リニ ア域 にお ける 過冷 却および水 中 氷 の 急 速 生 産 過 程 に 関 す る 実 験 的 研 究）

南 北 両 極 域 の 海 は 勿論 のこ と、 オホ ーツ ク海 や べー リン グ海 など の比 較的 低緯 度の 海域 でも冬 に な る と 、 海 が 海 氷で 広く 覆わ れる 。海 が海 氷 で覆 われ てし まう と、 膨大 な熱 容量 をも つ海
洋 か ら 大 気 へ の 熱 放 出が 大幅 に制 限さ れる だけ で なく 、海 氷自 身の アル ベド が高 いこ とも あって 、 ま わ り の 大 気 が 冷却 され 、さ らな る海 氷域 の 拡大 を促 すこ とに なる 。こ の自 己拡 大促 進効果 、 即 ち 正 の フ ィ ー ド バ ッ ク 効 果 は 海 氷 が も つ 大き な特 性の 1つで ある 。一 方、 海氷 生成 にとも な う ブ ラ イ ン 排 出 は、 南極 底層 水と いう 世界 最 大密 度水 を形 成し 、世 界の 海洋 深層 大循 環を介 し て 世 界 の 気 候 に 大き く関 わっ てい く。 この よ うに 大き な物 理的 特性 をも つ海 氷は 、地 球の温 暖 化 な ど の 気 候 変 化に 対す る高 感度 のセ ンサ ー にな り得 るの では ない かと 考え られ てい る。
従 っ て 、 今 後 推 進 す べき 極域 海洋 学上 の研 究課 題 は、 大き く変 動す る海 氷域 の実 態を 正し く把
握 す る こ と は 勿 論 の こと 、そ の変 動の 原因 や、 変 動に とも なっ て生 じる 大気 一海 洋相 互作 用の物理素過程を定量的に明らかにすることである。
本 研 究 は 、 近 年 急 速に 進歩 した 衛星 観測 によ っ てそ の存 在が 明ら かに なっ た、 海氷 域内 部に
無 数 に 分 布 す る 開 水 面、 即ち ポリ ニヤ の形 成お よ びそ の維 持機 構を 低温 室内 水槽 実験 によ って明 ら か に し た も の で ある 。申 請者 は、 第31次日 本 南極 地域 観測 隊の メン パー とし て南 極昭 和基
地 に 1年 間 越 冬 し 、 沿 岸 ポ リ ニ ヤ 域 に お け る 海 氷 生成 と海 洋混 合層 の水 温変 動の 観測 を行 なった。その結果、冬季に大量の海氷生産をともないつつ対流混合層の厚さが深まり最大400mにまで達し、その間水温は全層結氷温度を保ちながら、開水面が冬の間中維持されていたという興味ある現象を初めて観測することに成功した。そこで申請者は、この南極での現場観測の結 果 に 基 づ い て 、 厳 冬 期 沿岸 ポ リ ニ ヤ 域 を 想 定 し た 低 温室 内 実 験 を 行 な っ た 。
申請者は、フラジルアイスの生産量を風速、室温、海水塩分などの関数として測定し、水中で生じる対流現象については、シュリーレン法を用いて光学的に観察した。実験結果の中で特に注目したのは、大気にさらされる開水面域が時間とともに減少していくにもかかわらず、フラジルアイスの生産量は次第に増大していくという事実である。申請者は、そのフラジルアイ
ス生産過程に介在する支配要因が、沿岸ポリニヤの形成・維持に本質的な役割を果たしていると考え、水温変動を注意深く観測した結果、水中において、フラジルアイス生成をともないながらも「過冷却」状態が継続的に維持されていることを見い出した。密度的には、純水における過冷却が安定なのに対して、海水の場合は、過冷却した水はむしろ不安定になる。この過冷却水の密度不安定を考慮に入れると、沿岸ポリニヤ域における急速海氷生産過程は次のように説明される。っまり、大気冷却によって表面に形成した過冷却水が、風による強制撹拌だけでなく、密度不安定の効果も加わって、水中を沈降していき、代りに結氷温度の水が下の層から表面にやってくる。この結氷温度の水は、前と同様に大気冷却によって過冷却され、その水は密度不安定のために沈降し、水中でフラジルアイスを生成することによって過冷却を解消する。この一連の過程が淀みなく続けば、水面を冷たい大気にさらし続けたままで、水中ではフラジルアイスの急速生産とその結果としてのブライン（高塩分水）の大量排出が起こることになる。
本研究の最もオリジナルな成果は、従来から指摘されていた強風による吹き流し効果だけでは説明できない沿岸ポリニヤ域における急速海氷生産過程を、南極で実際に行なった観測の結果から想定した低温室内実験によって、「過冷却水」の生成とそれの沈降による水中氷生成がその支配的要因と指摘した点である。また、海水によるこの過冷却不安定は高塩分ほどその度合いが大きくなるので、高塩分水の場合ほど海氷生産量は増大する、という今までの常識と逆の 結 果 が 本 研 究 に よ っ て 得 ら れ た が 、 こ れ も 大 き な 成 果 の 1つ で あ る 。
本研究で得られた以上の成果は、いづれも極域海洋学に新しい知見を提供した点で高く評価できるものである。このことから、審査員一同は、申請者が博士（理学）の学位を受けるのに十分な資格を有するものと認定した。