海流：地球の気候を制御するシステム

1850年代のある冬、元アメリカ海軍中尉の男が、ワシントンのアメリカ海軍天文台にある長いオーク材のテーブルに向かい、積み上げられた航海日誌の山に埋もれて座っていた。マシュー・フォンテーン・モーリーは、大西洋を航行する商船、太平洋の捕鯨船、そして海軍のフリゲート艦の手書きの記録を集めており、いまやそこから、これまで誰一人としてまとめあげたことのないものを引き出そうとしていた。風と水が実際に地球全体をどう動いているのか、その一貫した姿である。数年前の落馬事故が彼の海上での経歴を終わらせ、机と年金と山のような航海日誌を残したが、その制約のなかから彼は新たな科学を築き上げた。

この仕事から生まれた本は、1855年にハーパー社から出版され、『The Physical Geography of the Sea（海の自然地理学）』と題された。物理海洋学の創始的な教科書とみなされている書物である。モーリーの中心的な洞察は、海とは渡るべき特徴のない水の広がりではなく、内部に川が流れる、構造を持った循環するシステムだということだった。温かい水と冷たい水の川であり、船はそれを下流へ流れる水流のように乗りこなすことができる。その洞察こそ、海が気候をどう支配しているかについて私たちがいま理解しているすべての出発点である。この記事が答えるのは、一見すると単純な問いである。ほとんどが冷たく暗い塩水の塊が、どうやって大陸の気温や、地球の反対側の天候のリズムを支配するに至るのか。

ひとつの水たまりではなく、層からなる海

まず捨てなければならないのは、海をひとつの均一な塊だとするイメージである。外洋は鉛直方向に三つの主要な層に分かれており、それぞれがまったく異なる振る舞いをする。最上部にあるのが混合層で、風と波によって数十メートルから数百メートルの深さまでかき混ぜられ、比較的温かくよく混ざっている。海のうち大気と直接やり取りをする部分である。これは船が航行する層であり、空気と熱や気体を交換する層でもある。

混合層の下には*水温躍層（サーモクライン）*があり、ここでは深さとともに水温が急激に下がる。わずか数百メートルのうちに、水は心地よい表面の温かさからほぼ氷点に近い冷たさへと落ち込み、この急峻な温度勾配は一種の蓋として働き、上にある日差しと風に支配された世界を、その下の領域から隔てている。水温躍層の下にあるのが深海であり、冷たく暗くゆっくりと動き、体積でいえば地球の海水の大部分を蓄え、日差しや嵐から遠く離れ、どの週の天候とも無関係な時間スケールで動いている。この三つの層を頭に入れておくことが不可欠である。なぜなら、海の二つの偉大な循環システムは、それぞれこの鉛直構造の異なる部分に属しているからだ。

風に駆られる川

上層の数百メートルの海流は、結局のところ卓越風によって駆動されている。安定した風が海面を引きずるように吹くと、摩擦が水を動かし始め、地球が自転しているため、動く水は直線を進まない。そのかわりに、**環流（ジャイア）**と呼ばれる巨大な回転系へと自らを組織化し、それぞれが主要な海洋盆地を一つずつ満たしている。これらの環流は北半球では時計回りに、南半球では反時計回りに回り、その違いはコリオリの効果、すなわち自転する惑星上で動く物体に見られるみかけの偏向によって課されている。

各環流の最も劇的な特徴は、その西の縁にある。あらゆる盆地の西側で、流れは速く狭く温かい川へと集中し、これは西岸境界流として知られている。北大西洋ではこれがメキシコ湾流であり、温かい熱帯の水をアメリカ合衆国の東海岸沿いに北へと運び、やがて湾曲して大洋を横切っていく。西岸境界流は海のなかでも最も速い流れのひとつであり、熱帯の熱を極へと運ぶコンベヤーベルトである。メキシコ湾流のような表層の海流は、数か月のうちにその盆地を一周し、水温躍層より上の上層海に限られた、軽快で温かく風に動かされるループを描く。

深海をめぐる千年のコンベヤー

風に駆られる表層の下では、第二の、はるかにゆっくりとした循環が、まったく異なる原理にもとづいて働いている。これが熱塩循環で、それを制御する二つのもの、すなわち熱（thermo）と塩（haline）にちなんで名づけられている。表層の海流が風によって動くのに対し、深海は密度によって動き、密度は水がどれほど冷たくどれほど塩辛いかによって決まる。冷たい水は温かい水より密度が高く、塩辛い水は真水より密度が高いので、最も冷たく最も塩辛い水がすべてのなかで最も重く、沈み込む傾向がある。

この沈み込みはいくつかの特定の場所で起こる。北大西洋の高緯度域や、南極大陸を取り巻く海では、表層の水が十分に冷たく塩辛くなって下方へと沈み込み、上にある軽い水の下に滑り込み、深淵を通る長い旅を始める。これらの沈み込みの領域から、密度の高い水は南へ流れ、それから深海を通って地球をめぐり、海底に沿って這い進み、やがてゆっくりと湧昇し、主にインド洋と太平洋の盆地で表層へと戻り上がっていく。しばしば大洋大循環（グレート・オーシャン・コンベヤー）と呼ばれるこの一巡には、ひと回りするのにおよそ千年がかかる。今日グリーンランド沖で沈み込んだ水が、太平洋で再び表面に現れるのは、3000年をはるかに過ぎてからかもしれない。これが深海に空気を通わせるエンジンであり、大気のなかのどんなものをも小さく見せる時間スケールで、酸素を下へ、太古の水を上へと運んでいる。

二つの循環、ひとつの水の塊

二つのシステムを並べて見ると理解が進む。それらはまったく同じ水を共有しながら、完全に異なる規則に従っているからだ。表層の海流は風に駆られ、温かく、速く、数か月で盆地を一周する。深海の海流は密度に駆られ、冷たく、遅く、地球を一周するのにおよそ千年かかる。一方は海の素早く浅く風に吹かれた皮膚であり、もう一方はその広大で、慎重で、密度ごとに仕分けられた内部である。水温躍層は両者のあいだの境界であり、温かく風に駆られる層を冷たい深海の塊の上に乗せておく温度の段差である。

二つは互いに独立しているわけではない。表層の海流は熱と塩を、深海の水が形成される高緯度域へと運び、沈み込みの条件を整える助けとなり、深海の湧昇はやがて水を表層へと戻し、そこで再び風がそれをつかむことができる。両者は合わさってひとつの相互につながった機械を成しているが、海を理解するということは、二つのうちどちらを論じているのかを常に把握しているということだ。なぜなら、それらの速度と駆動力はこれ以上ないほど異なっているからである。

塩が見かけ以上に重要な理由

海の塩分濃度は静的な事実として扱われがちだが、それはシステム全体を支配する変数のひとつである。外洋の平均塩分濃度はおよそ3.5パーセント、つまり海水1キログラムあたり約35グラムの溶けた塩がある計算になる。この数値はどこでも一定というわけではない。蒸発によって塩が濃縮される場所、たとえば温かい亜熱帯の地域では上がり、雨や河川、融けた氷が真水を加えて薄める場所では下がる。

これらの変動が重要なのは、塩分濃度が温度とともに密度を制御し、その密度こそが深海のコンベヤーを動かしているからである。蒸発が強いためであれ、海氷が凍るときに塩が排除されるためであれ、より塩辛くなった海域は密度が高くなり、沈み込みやすくなる。これこそ、深海水の形成が高緯度域の淡水収支に敏感である理由そのものである。融けた氷からの大量の真水の流入は、表層の塩分濃度を十分に下げて沈み込みを、そしてそれを通じて千年に及ぶ循環全体を遅らせることがある。言い換えれば、海の塩分は受動的なラベルではなく、地球の熱の分配を左右する能動的な制御つまみなのである。

太平洋が温かい水を入れ替えるとき

海は循環するだけでなく、振動もする。そして最も影響の大きな振動は赤道太平洋に存在する。通常の状態では、貿易風が赤道沿いに東から西へ吹き、温かい表層水をインドネシアと西太平洋の近くに大きなプールとして積み上げる一方、南アメリカの沿岸沖ではより冷たい水が湧き上がる。2年から7年ごとに、この配置は崩壊する。海と大気が結合して温暖な相と冷涼な相のあいだを揺れ動く現象はエルニーニョ・南方振動と呼ばれ、その二つの極端は、温暖な相であるエルニーニョと、冷涼な相であるラニーニャである。

エルニーニョのあいだは貿易風が弱まり、温かいプールを西に押しとどめていた風の堰が決壊し、温かい水が太平洋を横切って東へと戻っていく。海と大気が結合しているため、この温かさの再分配は、上昇する空気と激しい降雨が起こる場所を移動させ、インドネシアからペルーまでの天候を乱し、外へと波及して地球の大部分にわたって降水量、干ばつ、気温に影響を及ぼす。世界中のモンスーン、漁業、収穫がそれを感じ取る。ENSOは、海が単に気候のゆっくりとした背景であるどころか、ただ一つの季節のうちに世界の天候を再編成しうる能動的な担い手であることを、最も明確に示すものである。

メキシコ湾流の贈り物という神話

地理学のなかで、メキシコ湾流がただ一つで西ヨーロッパを温めているという主張ほど、これほど自信たっぷりに、これほど根拠なく繰り返されている考えはほとんどない。その理屈はもっともらしく聞こえる。温かい海流が熱帯から北上し、東大西洋に達して、イギリス、フランス、スカンジナビアをやさしく温める。だから同じ緯度にあるニューファンドランドよりもロンドンのほうが温暖なのだ、と。この海流は確かに重要であり、北大西洋に本物の熱を届けてもいるが、それはヨーロッパの温暖な冬の主たる原因ではない。

説明の大部分は大気にある。卓越する偏西風が温かい海面の上を吹き、その熱を拾い上げ、その温かさを大陸へと運ぶ。海から陸へ吹くこれらの偏西風がなければ、蓄えられた海の熱はヨーロッパの気温のためにはるかに少ないことしかしないだろう。そして詳細な研究は、西ヨーロッパと東北アメリカのあいだの対照の多くを、海流だけにではなく、風の配置と大気が熱を再分配するありように帰している。これは有益な修正である。なぜなら、海と大気が結合した対として働いていることを示しているからだ。どちらか一方だけで気候を動かしているわけではなく、大陸全体の温暖な冬をただ一つの海流の手柄とするのは、一つの構成要素を機械全体と取り違えることなのである。

海こそが気候システムである理由

一歩下がってみると、海が地球の気候を制御するシステムと呼ばれるにふさわしい理由が明らかになる。海は、1971年以降に温室効果ガスによって閉じ込められた追加の熱の九十パーセント以上を蓄えており、地球温暖化のエネルギーの圧倒的大部分を、その広大な水の体積のなかに吸収している。また海は、気候システムのほかのどの部分にもまねできない規模で、緯度のあいだを熱が移動させる。表層の環流を通じて熱帯の温かさを極へと運び、深海のコンベヤーのゆっくりとしたかき混ぜを通じてそれを再分配しているのである。

これこそ、モーリーが1855年に机いっぱいの航海日誌から創始した学問である物理海洋学が、気候変動と惑星の水収支を理解するための前提条件である理由だ。層、海流、塩、そして振動は、大気を緩衝し、地域の気候を定め、私たちが地球に加えている熱を蓄える、ひとつの統合されたシステムの部分である。気候がどう変わるのかを問うことは、その大部分において、私たちが与えている熱と真水を海がどう扱うのかを問うことなのである。

重要なポイント

海は層をなし、循環し、塩辛く、気候システムの支配的な構成要素である。その外洋の水は、風にかき混ぜられる混合層、急峻な水温躍層、そして体積の大部分を蓄える冷たい深海へと構造化されている。メキシコ湾流のような表層の海流は風に駆られ、温かく、速く、時計回りと反時計回りの環流へと組織化されて数か月で盆地を一周する一方、深海の熱塩循環は密度に駆られ、冷たく、遅く、北大西洋と南極大陸の周辺で冷たく塩辛い水を沈み込ませ、地球を一周するのにおよそ千年をかける。平均塩分濃度は1キログラムあたり約35グラムであり、それが重要なのは深海のコンベヤーを動かす密度を定める助けとなるからである。エルニーニョ・南方振動は2年から7年ごとに赤道太平洋の温かい水をかき混ぜ、世界中の天候を乱す。ヨーロッパの温暖な冬は、メキシコ湾流だけよりも、海の熱を陸へと運ぶ偏西風によるところが大きい。そして海は近年の気候の加熱の九十パーセント以上を蓄え、ほかの何ものにもできないやり方で緯度のあいだを熱が移動させているからこそ、海流、塩分濃度、層を理解することは気候そのものを理解するための土台となる。それは、マシュー・モーリーが1855年の『Physical Geography of the Sea（海の自然地理学）』によって確立した科学である。