湧昇

南半球で風が海岸と平行に吹く場合（例えばペルーの海岸沿いでは北風が吹く）、エクマン輸送によって表層水が左に90°移動する可能性があり、沿岸湧昇を引き起こす可能性があります。^{[ 1 ]}

湧昇は、風によって深海から海面に向かって、密度が高く、冷たく、通常は栄養分に富んだ水が移動する海洋現象です。この湧昇は、温かく、通常は栄養分に乏しい表層水と入れ替わります。栄養分に富んだ湧昇水は、植物プランクトンなどの一次生産者の成長と繁殖を刺激します。植物プランクトンのバイオマスとこれらの海域の冷水の存在により、湧昇帯は海面水温（SST）の低下とクロロフィルaの高濃度によって特定されます。^{[ 2 ] [ 3 ]}

湧昇域における栄養塩類の利用可能性の向上は、一次生産量の増加、ひいては漁業生産の増加につながります。世界の海洋漁獲量の約25%は、5つの湧昇域から得られていますが、これらの湧昇域は海域全体のわずか5%を占めています。^{[ 4 ]}沿岸流や外洋の分岐によって駆動される湧昇域は、栄養塩類が豊富な水域と世界の漁業生産量に最も大きな影響を与えます。^{[ 4 ] [ 5 ]}

メカニズム

湧昇を引き起こす3つの主な要因は、風、コリオリの力、エクマン輸送である。これらは湧昇の種類によって作用が異なりますが、一般的な影響は同じです。^{[ 6 ]} 湧昇の全体的なプロセスでは、風が海面を特定の方向に吹き、風と水の相互作用を引き起こします。風の結果、水はコリオリの力とエクマン輸送によって風の方向から正味 90 度移動します。エクマン輸送によって表層の水が風向から約 45 度の角度で移動し、その層とその下の層との間の摩擦によって、連続する層が同じ方向に移動します。この結果、水が水柱を下方に移動する螺旋が発生します。次に、水がどの方向に移動するかを決定するのはコリオリの力です。北半球では、水は風の方向の右側に輸送されます。南半球では、水は風の左側に運ばれます。^{[ 7 ]} この水の正味の移動が発散する場合、失われた水を補うために深層水の湧昇が起こります。^{[ 2 ] [ 6 ]}

種類

海洋における主要な湧昇は、より深く、より冷たく、栄養分に富んだ水を表層に運ぶ海流の分岐と関連しています。湧昇には少なくとも5つの種類があります。沿岸湧昇、海洋内部における大規模な風駆動湧昇、渦に伴う湧昇、地形に伴う湧昇、そして海洋内部における広域拡散湧昇です。

沿岸

沿岸湧昇は最もよく知られている湧昇であり、世界で最も生産性の高い漁業のいくつかを支えていることから、人間の活動と最も関連が深いものです。沿岸湧昇は、風向が海岸線と平行で、風成流を発生させる場合に発生します。風成流は、コリオリの力により、北半球では風の右側に、南半球では左側に方向転換します。その結果、風向に対して直角の表層水の正味の移動が起こります。これはエクマン輸送として知られています（エクマンスパイラルも参照）。エクマン輸送が海岸から離れる方向に発生する場合、離れる表層水はより深く、より冷たく、より密度の高い水に置き換えられます。^{[ 5 ]}通常、この湧昇プロセスは1日あたり約5～10メートルの速度で発生しますが、風の強さと距離により、湧昇の速度と海岸への距離は変化する可能性があります。^{[ 2 ] [ 8 ]}

深海は硝酸塩、リン酸塩、ケイ酸などの栄養分が豊富で、これら自体は表層水から沈んだ有機物（死んだプランクトン／堆積性プランクトン）の分解によって生成されます。表層に運ばれたこれらの栄養分は、溶存CO2（二酸化炭素）や太陽からの光エネルギーとともに、植物プランクトンによって光合成のプロセスによって有機化合物を生成するために利用されます。そのため、_湧昇域では海洋の他の地域と比較して、非常に高いレベルの一次生産（植物プランクトンによって固定される炭素の量）がもたらされます。これらの地域は世界の海洋生産性の約50％を占めています。^{[ 9 ]}植物プランクトンは海洋食物連鎖の基盤であるため、 高い一次生産は食物連鎖の上位に伝播します。 ^{[ 10 ]}

食物連鎖は次のようになります。

• 植物プランクトン →動物プランクトン→ 捕食性動物プランクトン →濾過摂食動物→ 捕食性魚類^{[ 5 ]} → 海鳥、海棲哺乳類^{[ 11 ]}

沿岸湧昇は、一部の地域では年間を通して発生し、主要沿岸湧昇システムとして知られています。一方、他の地域では年間の特定の月のみ発生し、季節性沿岸湧昇システムとして知られています。これらの湧昇システムの多くは、比較的高い炭素生産性と関連しているため、大規模海洋生態系に分類されています。^{[ 12 ]}

世界中には、湧昇域に関連する5つの主要な沿岸海流があります。カナリア海流（北西アフリカ沖）、ベンゲラ海流（南アフリカ沖）、カリフォルニア海流（カリフォルニアとオレゴン沖）、フンボルト海流（ペルーとチリ沖）、ソマリア海流（ソマリアとオマーン沖）です。これらの海流はすべて、主要な漁業を支えています。沿岸湧昇が主に発生する4つの主要な東部境界海流は、カナリア海流、ベンゲラ海流、カリフォルニア海流、フンボルト海流です。^{[ 13 ]} ベンゲラ海流は、南大西洋亜熱帯環流の東の境界であり、北部サブシステムと南部サブシステムに分けられ、両方の領域で湧昇が発生します。サブシステムは、世界で最も強い湧昇帯であるリューデリッツ沖の永久湧昇域によって分割されています。カリフォルニア海流システム（CCS）は北太平洋の東部境界海流であり、南北に分かれているのが特徴です。このシステムの分岐は、カリフォルニア州のポイント・コンセプションで発生し、南部では湧昇が弱く、北部では湧昇が強いことが原因です。カナリア海流は北大西洋環流の東側境界海流であり、カナリア諸島の存在によっても分離されています。最後に、フンボルト海流またはペルー海流は、南アメリカ沿岸に沿ってペルーからチリまで西に流れ、沖合1,000キロメートルまで広がります。^{[ 9 ]} これらの4つの東側境界海流は、海洋における沿岸湧昇帯の大部分を構成しています。

赤道

太平洋における赤道湧昇が表層クロロフィル濃度に与える影響

赤道における湧昇は、実際に移動する熱帯収束帯（ITCZ）と関連しており、その結果、赤道のすぐ北または南に位置することが多い。東（西向き）貿易風は北東と南東から吹き、赤道に沿って西に吹き込み、ITCZを​​形成する。赤道沿いにはコリオリの力は存在しないが、赤道のすぐ北と南では湧昇が発生する。その結果、発散が生じ、より密度が高く栄養分に富んだ水が下から湧昇する。その結果、太平洋の赤道域は、宇宙から見ても植物プランクトンが密集した広い線状に見えるという注目すべき現象が生じる。^{[ 4 ]}

南極海

南極海の湧昇

南極海では大規模な湧昇も見られる。ここでは、強い偏西風（東向きの風）が南極大陸の周囲に吹き、大量の水が北方へと流れ込む。これは実際には沿岸湧昇の一種である。南アメリカと南極半島先端の間の開いた緯度帯には大陸がないため、この水の一部は深海から汲み上げられる。多くの数値モデルや観測統合では、南極海の湧昇は深層の密度の高い水が表面にもたらされる主な手段となっている。南極の一部の地域では、海岸近くの風駆動による湧昇が比較的暖かい周極深層水を大陸棚に引き寄せ、そこで棚氷が融解を促進し、氷床の安定性に影響を与える可能性がある。^{[ 14 ]}より浅い、風による湧昇は、北米と南米の西海岸、アフリカの北西部と南西部、オーストラリアの南西部と南部でも見られ、これらはすべて海洋亜熱帯高圧循環に関連しています（上記の沿岸湧昇を参照）。

海洋循環モデルの中には、熱帯地方で広範囲の湧昇が発生することを示唆するものもあります。これは、圧力駆動流が低緯度地域へと水を集め、そこで拡散的に温められるためです。しかし、必要な拡散係数は、実際の海洋で観測されるものよりも大きいようです。それでも、ある程度の拡散的な湧昇は発生すると考えられます。

その他の情報源

• 沖合の島々、海嶺、あるいは海山が深層流の方向を変え、本来は生産性の低い海域に栄養塩類が豊富な海域をもたらすことで、局所的かつ断続的な湧昇が発生することがあります。例としては、遠洋漁業が盛んなガラパゴス諸島やセイシェル諸島周辺で見られる湧昇が挙げられます。^{[ 4 ]}
• 湧昇は、水平風場に十分なシアーが存在する限り、どこでも発生する可能性があります。例えば、熱帯低気圧が通常時速5マイル（8km/h）未満の速度で海域を通過する場合などです。低気圧の風はエクマン層の表層水に発散を引き起こし、その変化は連続性を維持するために深層水の湧昇を必要とします。^{[ 15 ]}
• 人工湧昇は、海洋波力エネルギーまたは海洋温度差エネルギー変換を利用して海水を海面に汲み上げる装置によって発生します。また、海洋風力タービンも湧昇を発生させることが知られています。^{[ 16 ]} 海洋波力装置はプランクトンブルームを発生させることが示されています。^{[ 17 ]}

バリエーション

東からの異常に強い風が暖かい（赤い）表層水をアフリカに押しやり、冷たい（青い）水がスマトラ島沿岸に沿って湧き上がる。

湧昇の強さは、風の強さや季節変動のほか、水の垂直構造、海底地形の変化、海流の不安定性などによっても左右されます。

一部の地域では、湧昇は季節的な現象であり、沿岸水域の春のブルームに似た、周期的な生産性の爆発をもたらします。風によって引き起こされる湧昇は、陸地上の暖かく軽い空気と海上の冷たく密度の高い空気との温度差によって発生します。温帯緯度では、温度コントラストは季節によって大きく変化し、春と夏には強い湧昇の期間が生まれ、冬には弱いか湧昇がまったく起こりません。たとえば、オレゴン沖では、6 か月間の湧昇シーズン中に、4 回または 5 回の強い湧昇イベントが発生し、その間に湧昇がほとんどまたはまったくない期間が続きます。対照的に、熱帯緯度では温度コントラストがより一定であるため、年間を通じて一定の湧昇が起こります。たとえば、ペルーの湧昇はほぼ 1 年を通して発生し、イワシとカタクチイワシの世界最大級の海洋漁業を生み出しています。^{[ 5 ]}

貿易風が弱まる、あるいは逆転する異常な年には、湧昇する水は高温になり栄養分も少なくなり、その結果、生物量と 植物プランクトンの生産性が急激に減少します。この現象はエルニーニョ・南方振動（ENSO）として知られています。ペルーの湧昇システムは特にENSOの影響を受けやすく、生産性の年々極端な変動を引き起こす可能性があります。^{[ 5 ]}

海底地形の変化は湧昇の強さに影響を与える可能性があります。例えば、海岸から突出する海嶺は、近隣地域よりも湧昇にとって好ましい条件を作り出します。湧昇は通常、このような海嶺で始まり、他の場所で発達した後も、海嶺で最も強く残ります。^{[ 5 ]}

高い生産性

最も生産的で肥沃な海域である湧昇域は、海洋生産性の重要な源です。栄養段階全体にわたって何百もの種を引き寄せるため、これらのシステムの多様性は海洋研究の焦点となっています。研究者は、湧昇域に典型的な栄養段階とパターンを研究する中で、湧昇システムがスズメバチ腰型の豊富さのパターンを示すことを発見しました。このタイプのパターンでは、高栄養段階と低栄養段階は高い種の多様性によってよく代表されます。しかし、中間の栄養段階は1つか2つの種によって代表されるだけです。小型の遠洋魚からなるこの栄養層は、通常、存在するすべての魚種の種の多様性の約3～4%を占めるに過ぎません。低位の栄養層は非常によく代表され、平均して約500種のカイアシ類、2500種の腹足類、および2500種の甲殻類が存在します。頂点および準頂点の栄養段階には、通常約100種の海洋哺乳類と約50種の海洋鳥類が生息する。しかし、重要な中間栄養段階の種は、通常植物プランクトンを餌とする小型の回遊魚類である。ほとんどの湧昇系では、これらの種はアンチョビかイワシのいずれかであり、通常は1種しか存在しないが、まれに2種または3種が存在することもある。これらの魚類は、大型回遊魚、海洋哺乳類、海洋鳥類などの捕食者にとって重要な食料源である。栄養ピラミッドの底辺に位置するわけではないが、海洋生態系全体を繋ぎ、湧昇域の生産性を非常に高く維持する重要な種である^{[ 13 ]。}

湧昇生態系への脅威

この重要な中間栄養段階と湧昇する栄養生態系全体の両方にとって大きな脅威となっているのが、商業漁業の問題です。湧昇域は世界で最も生産性が高く、種が豊富な地域であるため、多くの商業漁業者と漁業が集まっています。一方で、これは湧昇プロセスのもう1つの利点でもあります。海洋動物以外にも、多くの人々や国々にとって、食料と収入源として機能しているからです。しかし、あらゆる生態系と同様に、ある個体群からの乱獲の結果は、その個体群と生態系全体に悪影響を及ぼす可能性があります。湧昇生態系では、存在するすべての種がその生態系の機能に重要な役割を果たしています。1つの種が著しく減少すると、残りの栄養段階全体に影響が及びます。たとえば、人気のある獲物である種が漁業のターゲットになると、漁師は湧昇水域に網を投げるだけで、この種の数十万個体を捕獲できる可能性があります。これらの魚が枯渇すると、それらを捕食していた人々の食料源も枯渇します。そのため、標的の魚の捕食者は死に始め、その上位の捕食者を養う捕食者も少なくなります。このシステムは食物連鎖全体にわたって継続し、生態系の崩壊につながる可能性があります。生態系は時間の経過とともに回復する可能性がありますが、すべての種がこのような事態から回復できるわけではありません。たとえ適応できたとしても、湧昇群集の再構築には遅れが生じる可能性があります。^{[ 13 ]}

このような生態系の崩壊の可能性は、湧昇域における漁業の危険性そのものである。漁業は多様な魚種を対象とするため、生態系内の多くの種にとって直接的な脅威となるが、中でも中層浮魚類への脅威が最も大きい。これらの魚は湧昇生態系の栄養段階全体の核心を形成するため、生態系全体に広く分布している（たとえ1種しか存在しないとしても）。残念ながら、これらの魚は漁業の最も人気のある対象となりがちで、漁獲量の約64%が浮魚類で占められている。その中でも、通常中間栄養層を形成する6つの主要種が、漁獲量の半分以上を占めている。^{[ 13 ]}

エルニーニョ現象が発生すると、風が間接的に暖かい水を南米の海岸に運び、冷たい湧昇の影響を軽減します。

漁業による個体数の減少は、生態系の崩壊を直接引き起こすだけでなく、様々な方法で生態系に問題を引き起こす可能性があります。栄養段階の上位にある動物は完全に餓死することはないかもしれませんが、食糧供給の減少は個体群に悪影響を及ぼす可能性があります。動物が十分な食糧を得られない場合、繁殖能力が低下し、通常よりも頻繁に、あるいは成功率が低くなります。これは、特に通常の状況下では頻繁に繁殖しない種や、生殖成熟が遅い種において、個体数の減少につながる可能性があります。もう一つの問題は、漁業による個体数の減少が遺伝的多様性の減少につながり、結果として種の生物多様性の減少につながる可能性があることです。種の多様性が著しく減少すると、変化の激しい環境に生息する種にとって問題が生じる可能性があります。適応できなくなり、個体群または生態系の崩壊につながる可能性があります。^{[ 13 ]}

湧昇域の生産性と生態系に対するもう一つの脅威は、エルニーニョ・南方振動（ENSO）、より具体的にはエルニーニョ現象である。通常期およびラニーニャ現象の間は、東からの貿易風は依然として強く、湧昇を促し続ける。しかし、エルニーニョ現象の間は貿易風が弱まり、赤道域では赤道の南北の水の分岐がそれほど強くなく、また顕著でもなくなるため、湧昇は減少する。沿岸湧昇域も風力駆動型であるため、風はもはやそれほど強い駆動力ではなくなるため、同様に減少する。その結果、地球全体の湧昇は劇的に減少し、海域が栄養分に富んだ水を受け取らなくなるため、生産性の低下を招く。これらの栄養素がなければ、残りの栄養ピラミッドを維持できず、豊かな湧昇生態系は崩壊する。^{[ 18 ]}

気候への影響

沿岸湧昇は、影響を受ける地域の局所的な気候に大きな影響を与えます。海流がすでに冷たい場合、この影響は大きくなります。冷たく栄養分に富んだ水が上昇し、海面温度が下がると、その真上の空気も冷やされて凝結しやすく、海霧や層雲が形成されます。これにより、高高度の雲、にわか雨、雷雨の形成も抑制され、海上で雨が降り、陸地は乾燥します。^{[ 19 ] [ 20 ]}年間を通して湧昇が起こるシステム（南アフリカや南アメリカの西海岸など）では、気温は一般的に低く、降水量は少なくなります。季節的な湧昇は、季節的な下降と対になることが多く（米国^{[ 21 ]}やイベリア半島の西海岸など）、例年よりも涼しく乾燥している夏と、例年よりも穏やかで雨の多い冬となります。恒常的な湧昇地帯は通常、半乾燥気候／砂漠気候ですが、季節的な湧昇地帯は通常、地中海性気候／半乾燥気候、場合によっては海洋性気候です。強い湧昇地帯の影響を受ける世界の都市には、サンフランシスコ、アントファガスタ、シネス、エッサウィラ、ウォルビスベイ、キュラソーなどがあります。

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外部リンク

• 風による表層流：湧昇と沈降
• 沿岸湧昇
• 大規模風力発電所が海洋表層循環に与える影響について。ヨーラン・ブロストロム、ノルウェー気象研究所、オスロ、ノルウェー