太平洋でなぜ海流が循環するのか？

図１海洋表層の循環の模式図
（出典：気象庁ホームページ）

日本の南岸には黒潮がいつも流れています。黒潮の先は場所によっていろいろな海流の名前が付けられていますが、北米大陸にまで行き、そこで大きくカーブして一周します。この海流の循環を亜熱帯循環と言い、時計回りの流れです（図１）。大西洋の北半球亜熱帯地域にも亜熱帯循環があり、同じく時計回り。一方、南半球の太平洋、大西洋、インド洋にも亜熱帯循環がありますが、これらは皆、反時計回りです。ここでは、太平洋の北半球亜熱帯循環がなぜ起き、そしてなぜ時計回りになるのかを解説します。

この循環を引き起こす原因は貿易風と偏西風です。海上を風が吹くと海水が流され、それが積もり積もって海流となると思われがちですが、そうではありません。
ノルウェーの探検家ナンセン（Fridtjof Nansen）が1893 年から3年間近く北極海調査航海を行った時に、海上を吹く風と海流の方向が異なることに気が付きました。

図２エクマン螺旋

その原因についてはスウェーデンの海洋物理学者エクマン（Walfrid Ekman）が1902年に解明しました。海水を薄い水平層に分けてそれにかかる力を考えます（図２）。海水の第１層（一番上の層）に風からの応力が加わります。この風応力A1により海水が動くと、第２層との摩擦により海水の動きの方向と反対方向へ摩擦力B1が生じます。その海水の動きに対してコリオリの力C1（北半球では動く方向への垂直右向きの力）が加わります。これらの風応力、摩擦力、コリオリの力の３者のバランスが取れるように、各力の大きさや向きが決まります。第２層は第1層からの摩擦力が海水の動きの力、すなわち応力A2となります。第３層への摩擦力B2、コリオリの力C2が発生し、バランスが取れるように各力の大きさや向きが決まります。以下、同様で下の層へ伝わります。これを数式的に解析したのがエクマンで、海水の動きは海中深くなるにつれて風の吹く方向に対して右にずれ、また流れが小さくなることを示しました。この計算をしっかりと行うと、海水は風の吹く方向に対して垂直右向きに移動（輸送）することになります。海上を吹く風の応力により起こされる海水の流れをエクマン吹送流、海の深さに対する水平な海水の流れを表したのがエクマン螺旋、エクマンの吹送流によって生じる正味の水の輸送をエクマン輸送と言います。

図３海面水位の上昇

図４地衡流

北半球太平洋亜熱帯領域では、エクマン輸送により貿易風は海水を北向きに輸送し、北側（中緯度付近）の偏西風は南向きに輸送します。そのため、亜熱帯領域の中央部分に表層海水が集まるので海面が盛り上がり（図３）、約2mの高さとなります。海面が盛り上がると海面下の圧力が増加するので、海洋内部には中央から外側に向かって圧力傾度力が生じます。

圧力傾度力とコリオリ効果により地衡流（ちこうりゅう）という海水の流れが発生します。図４に示すように、海水はまず高圧部から低圧部に向かって流れますが、コリオリの力により流れは右に曲がり、やがて圧力傾斜力とコリオリの力が反対方向で釣り合います。これが地衡流と言われるもので、流れは等圧線と平行になり、北半球では海面の高い方(＝圧力が高い)を右に見る時計回りとなります。この地衡流による流れが太平洋を一巡することで亜熱帯循環が形成されます。

日本近海での黒潮は、幅が100km程度、流速は最大で4ノット（約7.4km/h）で、600 - 700mの深さでも1～2ノットになることも珍しくないと言われます。このような強い流れは湾流（旧名はメキシコ湾流）、ブラジル海流、東オーストラリア海流など大洋の西側で起こります。この現象を西岸強化と言い、大洋の東側では起こりません。西岸強化の原因は1948年に米国海洋物理学者ヘンリー・ストンメル（Henry Stommel）により明らかにされました。

図５海面高分布
（等高線単位:cm）

ストンメルは単純化した海洋モデルを考えることにより、流れの方程式を解くことができました。コリオリの力も緯度に比例と単純化して計算しました。論文（Henry Stommel, The Westward Intensification of Wind-driven Ocean Currents, Trans. Amer. Geophysical Union, Vol. 29, No.2, pp.202-206, 1948）に書かれている海面高分布のグラフを図５に示します。西岸強化の状態が表れています。今では西岸強化の説明は以下のようになされています。地球の自転角速度をω、地球半径をＲ、緯度φ（緯度φからの南北方向距離ｙ）の位置で質量ｍの物体が速度vで運動している時に、コリオリの力ｆはφの周りでテイラー展開すると
　　　　ｆ＝2ｍ(ωsinφ)v＋2ｍ(ωcosφ)v・y／Ｒ　　　　(1)
となります。ここで、右辺の第２項のうち定数項をベータ
　　　　 β＝2ｍ(ωcosφ)／Ｒ
とします。式(1)から、緯度が高くなるほどコリオリの力が増大します。これを惑星ベータ効果と言います。

黒潮は北方向（緯度が高くなる）へ流れますが、惑星ベータ効果により時計回りの回転（渦度）が加えられます。一方、北米沿岸のカリフォリニア海流は南方向（緯度が低くなる）へ流れるので、反時計回りの回転が加えられます。その結果、ロスビー波と呼ばれる西向き方向のみに伝播する波が発生します（ロスビー波については説明が難しいので割愛させて頂きます）。西岸強化流は、ロスビー波によって海流循環の中央の海面の盛り上がりが西側に移動させられることによって形成されます。

親潮は亜寒帯循環の一部となっており、反時計回りになっています。高緯度地域の極偏東風と中緯度地域の偏西風による風応力のエクマン輸送により、循環領域の中心部の海面が下がります。そのため、地衡流が発生し、中央部分を常に左に見る流れが生じます。これが反時計回りの原因です。西岸強化も同様に起こります。