
ハイダ渦は、冬季にブリティッシュコロンビア州ハイダグアイ西岸とアラスカ州アレキサンダー諸島沖で発生する断続的な時計回りの海洋渦である。これらの渦は、その大きさ、持続性、頻繁な再発で知られている。北米大陸沖を流れる河川は、ヘカテ海峡の大陸棚に、暖かく淡水で栄養分に富んだ水を供給する。ハイダ渦は、海峡を通るこの急速な水の流れがハイダグアイ南端のセントジェームズ岬を回り込み、アラスカ海流の冷たい水と合流することで、毎年冬季に形成される。これにより、一連のプルームが形成され、それらが合体して大きな渦となり、晩冬までに北東太平洋に放出され、最長2年間持続することがある。[ 1 ]
ハイダ渦は直径250kmを超えることもあり、ミシガン湖の容積に匹敵する沿岸水を1,000km以上沖合の北東太平洋の低栄養海域に運びます。[ 2 ]これらの「暖水環」は熱を海へ運び、栄養塩類(特に硝酸塩と鉄)を栄養塩類が枯渇した低生産性海域に供給します。その結果、ハイダ渦における一次生産は周囲海域の最大3倍に達し、広大な植物プランクトン群集を支え、動物プランクトンや魚類プランクトン群集の構成にも影響を与えています。[ 3 ] [ 4 ]
ハイダという名前は、ハイダ・グアイ諸島(以前はクイーン・シャーロット諸島として知られていた)を中心とするこの地域の原住民であるハイダ族に由来しています。

ハイダ渦はその巨大な規模のため、科学者が衛星の時代になるまでその全容とライフサイクルを観測することができませんでした。その規模は、定期船が渦の境界を観測することなく通過できるほど大きく、正確な記録は1980年代後半まで存在しませんでした。
1985年から1990年にかけて、レーダー高度測定法(ジオイドを基準としてレーダーパルスを使用して海面の高さを測定するために使用される機器)を使用して海面の高さの変化を調査する最初の米国の調査ミッションが、測地/地球物理衛星( GEOSAT )を使用して米国海軍によって実施されました。主な焦点は、前線、渦、風、波、および潮汐の研究でした。これらのプロセスはそれぞれ、数メートルの海面の高さの変化を生み出します。[ 5 ] 1986年に、研究者のガワーとタバタはGEOSATを使用してアラスカ湾で時計回りの渦を観測しました。これはハイダ渦の最初の衛星観測でした。1987年には、海洋嵐プログラムが50台の漂流物を配備して秋の嵐の間の潮間帯の振動と混合を調査し、西に伝播する渦を観測しました。[ 6 ] 1987年、同じく研究者のリチャード・トムソン、ポール・ルブロンド、ウィリアム・エメリーは、アラスカ湾の水深100~120メートルに設置された海洋漂流ブイが東向きの動きを止め、むしろ卓越流に逆らって西向きに動き始めたことを観察した。 [ 7 ]研究者たちは、この予期せぬ動きの原因を、渦がブイを西向きに約1.5cm/秒の速度で引きずり込んだためだと考えた。
1992年、ハイダ渦は研究者マイヤーズとバスーにより、GEOSATのような高度測定ベースの衛星プラットフォームであるTOPEX-POSEIDONを使用して、正の海面高度異常として観測されました。 [ 2 ]彼らは特に、1997/1998年のエルニーニョの冬にハイダ渦の数が増加したことを指摘しました。[ 6 ]ハイダ渦の高度測定観測は、欧州リモートセンシング衛星ERS1とERS2によってさらに補完されました。1995年、リチャード・トムソンはブリティッシュコロンビアの海洋科学研究所のジェームズ・ガワーと共同で、米国海洋大気庁(NOAA)衛星を使用した赤外線観測による温度マップを使用して、大陸縁辺全体に沿って渦が存在する最初の明確な証拠を発見しました。 [ 8 ]衛星観測

この地域の海洋循環は、北太平洋海流(別名「西風漂流」)に沿った東方への海水の輸送から始まります。北太平洋海流は、高気圧性(北半球における流体の時計回り方向の循環)の北支流を形成します。北太平洋海流はアメリカ本土に近づき、南向きのカリフォルニア海流と北向きのアラスカ海流に分岐します。この分岐の緯度は、この地域の海洋循環に主に影響を与える中緯度(緯度30~60°)の偏西風パターンの変化に依存しています。これらの偏西風は北緯45°付近で振動し、風速は変動します。これらの風の変化は、季節変動(夏/冬)、経年変動(ENSO)、および10年規模変動(太平洋十年規模振動、PDO)を伴う大規模な大気循環に基づいています。北西向きのアラスカ海流はその後、西向きのアラスカ沿岸海流に流れ込み、最終的にアラスカ海流に流れ込みます。これらが一緒になって、ハイダ渦が発生する低気圧性(反時計回りに回転する)の亜極アラスカ環流を形成します。
冬には、北太平洋海流の分岐の位置はおよそ北緯 45 度で、これは夏に分岐するおよそ北緯 50 度から 5 度南です。これは、アラスカ亜極環流にどのような水が運ばれるかに影響します。冬には、海流の分岐がさらに南になると、コロンビア川(北緯 47 度) とフレーザー川(北緯 49 度) から流入する新鮮で暖かい水が北に運ばれます。北太平洋海流の位置がこのように変化すると、冬には海流によって夏よりも低緯度から比較的暖かい水が極方向[ 9 ]に運ばれることになります。亜熱帯環流の北枝は冬に南に移動しますが、亜極環流の位置は変化せず、循環が激しくなります。この激しくなると南から亜極環流に流れ込む水の量が増えますが、これもまた大気循環の大きさに依存します。例えば、アリューシャン低気圧はアラスカ湾上の持続的な低気圧で、数十年のスケールで変動し、PDO を生成します。この低気圧が冬季に比較的強い場合、南風によってアラスカ海流に沿う北向きの水の輸送が増加するでしょう。ハイダ渦は主に冬季に発生することが記録されています[ 6 ]。このとき、分岐が南で、亜極環流を強めるのに好ましい大気条件が満たされます。これらの条件下では、沿岸風の逆転による傾圧不安定性[ 10 ]、赤道ケルビン波[ 11 ]、および海底地形によってハイダ渦が発生することも記録されています[ 9 ] 。傾圧不安定性は等密度面 (一定密度の水平線) の傾斜によって形成されます。沿岸風の逆転による傾圧不安定性は、海岸沿いの持続的な風が方向を変えるときに発生します。例えば、アラスカ湾では、平均的な風は南から極方向(南風)に吹きますが、風向が逆転すると、風は急激に北西(北西から)に変わり、北に押し流されていた沿岸流は南に押し流されます。この方向転換により、もともと北向きだった海流が回転し、等密度線の傾きが生じます。ケルビン波赤道沿いに形成されるハイダ渦は、北米西海岸に沿ってアラスカ湾まで移動することができ、そこで極向きの海流を乱し、傾圧不安定性を引き起こす可能性があります。ハイダ渦の3番目の形成過程である海底地形は、アラスカ海流が海面下の丘陵や岩層と相互作用することで発生し、傾圧不安定性を引き起こす可能性があります。

ハイダ渦は、輸送されている水の特性とそれが全体の構造に与える影響によって決まる共通の物理的特性を持っています。ハイダ渦は、比較的寿命が長く、遷移的(沿岸に沿った平均的な海流から逸脱する)、中規模(メソスケール)の海洋渦で、時計回り(高気圧性)に回転し、周囲の水に比べて暖かく塩分濃度の低い中心部を持つという特徴があります。渦内の暖かい水は、中心近くに水が堆積し、表面水が深みに向かって下方に変位(沈下)する、時計回りの傾圧運動によるものです。この現象はエクマンポンプと呼ばれ、質量保存則、鉛直速度、およびコリオリの力から生じます。収束点からの水の沈下により、中心と周囲の水の間に「動的高度異常」と呼ばれるものが生成されます。異常度は、対象とする表面(例えばハイダ渦の中心)と基準点(海洋学ではジオポテンシャル面、またはジオイドを基準とする)との差を計算することで算出されます。ハイダ渦は、中心と周囲の海水の間に0.12~0.35mの 力学的高度異常を生み出す可能性があります。
エクマン渦による表層水の汲み上げと、分岐点から北方への温水の輸送が相まって、表層から300m下までの温度勾配が緩和され、渦内の水温は通常よりも表層下で高くなります。[ 6 ] これらの温暖で塩分濃度の低い渦と周囲の水との間の成層化は、温度(等温線)と塩分濃度(等塩線)が一定である背景線を効果的に低下させることで(図参照)、増加します。これにより、周囲の水との混合が減少するため、これらの渦は沿岸水の特性をアラスカ湾へ輸送する理想的な媒体となります。
ハイダ渦が海岸から亜極環流域へと分離すると、水温、塩分、運動エネルギーなどの特性が輸送されます。この地域に広く見られる水塊は、塩分(32.6~33.6 psu)と水温(3~15℃)が保存的(時間的・空間的に一定)な太平洋亜寒帯上層水(PSUW)です。PSUWは北太平洋海流からアラスカ海流へと移動し、ハイダ渦を介して亜極環流域に混合される可能性があります。[ 12 ]河川からの淡水(低塩分)はハイダ渦に混合されます。また、ハイダ渦は沿岸平均流から位置エネルギーと運動量を交換することができ、このプロセスにより沿岸流からエネルギーが奪われ、環流域の中央へと移流されます。アラスカ湾では、平均して年間5.5回のハイダ渦が発生し、典型的な渦は、力学的高さが約0.179メートル、伝播速度が1日あたり2キロメートル、平均中心直径が97キロメートル、総体積が約3,000~6,000キロメートル3、持続期間が30週間であるのが特徴です。[ 13 ] [ 2 ]
ハイダ渦の生物地球化学的ダイナミクスは、典型的には、生産性は高いものの栄養分が比較的少ない表層水によって特徴付けられ、栄養分が豊富な下層コア水からの拡散と混合によって補給される可能性がある。この栄養交換は、表層混合層の深さ(冬は約 20 メートル、夏は最大 100 メートル)の季節変動によっても促進されることが多く、混合層が深くなるにつれて、栄養分の少ない表層水が栄養分に富む下層コア水と接触する。[ 14 ]冬に渦が形成されると、表層水の濃度は硝酸塩、炭素、鉄など生物生産に重要な栄養素が高くなります。しかし、春から夏にかけて、これらの栄養素は植物プランクトンによって急速に消費され、秋に低下した栄養分濃度が下層コア水と混合することによってゆっくりと補給されます。ハイダ渦が主要栄養素および微量金属微量栄養素に及ぼす純粋な影響は、沿岸水域から外洋への物質の沖合輸送であり、渦形成地点内の沖合の一次生産性を増加させます。
アラスカ湾の南東部と中央部は鉄分が限られる傾向にあり、ハイダ渦はこれらの地域に大量の鉄分を豊富に含む沿岸水を供給している。[ 15 ] [ 16 ]高栄養塩低クロロフィル(HNLC)地域では、鉄は主要栄養素よりも植物プランクトンの成長を制限する傾向があるため、鉄の供給は生物活動を刺激する上で重要な役割を果たしている。渦内の表層水は周囲のHNLC水と似ているが、渦中心部の水は鉄分が非常に豊富である。渦が減衰したり他の渦と相互作用したりするときに、物理的輸送特性の結果として、鉄は渦中心部から表層に向かって上向きに供給される。[ 17 ]光合成層(成長を支える光が豊富)へのこの鉄の流入は、春と夏の一次生産の増加、および植物プランクトンに消費される主要栄養素の減少に関連している。[ 14 ]渦の中心では、渦形成後最大16ヶ月まで鉄濃度の上昇が観測されている。[ 16 ]渦の物理的な輸送特性により、渦の存続期間中、依然として鉄分に富む渦の中心から表層への鉄供給が維持される。ハイダ渦は、鉛直方向への鉄輸送量が大きいため、生物が利用できる鉄の大部分を供給している。[ 18 ]
ハイダ渦中の溶存鉄濃度は、アラスカ環流の外洋水よりも約28倍高い。[ 16 ]渦核から湧昇する鉄の1日平均供給量は、北東太平洋における1日平均の塵の堆積によってもたらされる鉄の39倍である。[ 17 ]季節的なサーモクライン浅化と強化により、表層とその下の富栄養水との混合が阻害される可能性がある(両者間の鉄交換が最大73%減少する)にもかかわらず、濃度は依然として周囲水よりも1桁高く、推定460万モルの鉄が年間でアラスカ湾に供給されている。この負荷量は、大気中の塵[ 17 ]または大規模な火山噴火による鉄の総供給量に匹敵する。[ 19 ]したがって、ハイダ渦の到来により、アラスカ湾上部1,000メートルに供給される年間溶存鉄の5~50%がもたらされる可能性がある。[ 16 ]
2012年夏、ハイダ川の渦に100トンの微細酸化鉄を投入した鉄施肥実験が行われました。これは、一次生産の増加を通じてサケの回帰量を増やすことを目的としていました。その結果、渦内ではクロロフィル濃度が過去最高となり、北東太平洋では過去10年間で最も激しい植物プランクトンブルームが発生しました。しかし、このブルームが動物プランクトンや魚類などの高次栄養生物に及ぼす影響は不明です。[ 20 ]
光合成に重要な主要栄養素である溶存無機炭素(DIC)と硝酸塩(NO 3 − )の濃度は、ハイダ渦の表層水では、最初の年のほとんどを通して、生物学的一次生産による吸収により急速に枯渇する。この栄養素の吸収は主に植物プランクトンによって行われ、クロロフィル a(Chl- a)濃度の目に見える増加につながる。[ 21 ]夏には、DICプールの大部分が円石藻の増加により消費される。[ 14 ]円石藻は炭酸カルシウム(CaCO 3 )の殻を作るために重炭酸イオンを使用し、その過程で二酸化炭素(CO 2 )を放出する植物プランクトンである。このプロセスは、海水の酸を中和する能力の尺度であり、主に重炭酸イオンと炭酸イオンの濃度によって決まる全アルカリ度の夏季の低下にもつながる。周囲の表層水は、DIC、全アルカリ度、硝酸塩の濃度が同等か、わずかに高く、ハイダ渦と表層水を交換している可能性がある。これは、ハイダ2000がハイダ2001と合流したときに目撃された。[ 14 ]表層ではいくらかの栄養交換が起こっているものの、渦からの有機炭素の輸出は増加しておらず、深層での有機炭素濃度にほとんど変化が見られないことから、一次生産によって形成された有機炭素は大部分が渦内で循環していることが示唆される。[ 14 ]
2 月には、渦中心とエッジの CO2 の表面濃度(ƒCO2 で定量化)は、大気中の CO2 濃度に比べて比較的過飽和の状態から始まりますが、部分的に生物生産が原因ですぐに低下します。[ 14 ] 6 月までに、ƒCO2 は大気濃度に比べて不飽和になりますが、夏を通して気温の上昇に助けられ、再びわずかに増加します。[ 14 ]渦中心では、ƒCO2 は通常秋までに大気とほぼ平衡に達します(混合層が深くなるタイミングによって異なります)。このとき、下からの垂直な引き込みと混合により、 ƒCO2と、現在枯渇している DIC と硝酸塩の濃度が補充されます。[ 14 ]ただし、エッジ水域では夏の間も低い ƒCO2が持続する傾向があり、これはおそらく、クロロフィルa濃度の上昇が示唆するように、生物生産が促進されているためです。周囲の水は、年初に小さな減少が見られるものの、通常は春までに大気中のCO2濃度と等しくなります。[ 14 ]ハイダ渦による大気中のCO2純除去量は年間80万~120万トンと推定されており、[ 17 ]ハイダ渦がアラスカ湾で果たす重要な役割を強調しています。
アラスカ湾におけるその他の微量金属の輸送と供給もハイダ渦によって促進され、微量金属が海洋堆積物に埋もれ、生物の成長に利用できなくなる可能性があります。ハイダ渦は溶存銀イオンの重要な供給源である可能性が示唆されており、渦の表層水の濃度は周囲水域の3~4倍です。[ 22 ] ハイダ渦における海洋珪藻による珪酸塩の吸収率は周囲水域の3倍であり、珪藻類の個体数が大幅に増加していることを示唆しています。[ 2 ]ハイダ渦は珪藻類の生産にとって重要な銀の供給源です。銀は珪藻類の珪酸塩殻に取り込まれ、ハイダ渦に伴う銀の輸送は珪藻類の成長を促進します。この生産によって銀は隔離され、最終的には沈降する有機物粒子によって深部へ輸送され、銀を海洋珪酸塩循環に結び付けます。[ 22 ]
大量の溶存アルミニウムイオンとマンガンイオンも、河川流入によって富化された沿岸水の渦輸送によってアラスカ湾に供給されている。輸送量は、大気中の塵によって沈着した量とほぼ同程度である。[ 23 ]この微量金属の供給は、粒子が凝集して海底に沈降する傾向があるため、溶存鉄の除去速度に影響を与え、このプロセスは溶存アルミニウムとマンガンの除去量の50~60%を占めると推定されている。[ 23 ]さらに、ハイダ族の渦によってアラスカ湾へのカドミウムと銅の供給が促進されているという証拠もある。[ 23 ]
ハイダ渦は沖合でケイ酸塩濃度の低下と硝酸塩濃度の上昇、クロロフィル濃度の上昇、堆積現象を引き起こす可能性があります。
アラスカ湾沿岸で発生する渦は、棚栄養塩を西の北東太平洋の高栄養塩・低クロロフィル(HNLC)および貧栄養(低栄養)海域、あるいは南の季節的に硝酸塩が枯渇する海域に運ぶ。渦がアラスカ湾からブリティッシュコロンビア方面に南下する場合、渦内の海水は栄養塩を吸収している海水を犠牲にして栄養塩が豊富になるため、沿岸海域は比較的栄養塩の乏しい状態になる。渦が西のアラスカ湾中央盆地のHNLC海域に向かう場合、粒子状物質を輸送し、通常の季節輸送量の最大3倍に相当する硝酸塩を光合成層に供給するため、春の生産性が向上する。[ 2 ]
渦からの移流のタイミングは、栄養塩の供給に重要な季節的影響を及ぼします。栄養塩と鉄分を豊富に含む沿岸水は、渦の中心部または外環からアラスカ湾に運ばれます。[ 21 ]渦の中心部には、冬に形成された温かく淡水で栄養塩に富んだ水が含まれており、これに日光が加わることで、沖合で春に一次生産力が著しく高まります。 [ 2 ]渦が晩春から夏にかけて西へ移動すると、外環は渦の縁を囲むように大きな弧を描きながら沿岸水と深海水を混合します。このプロセスは数百キロメートル沖合まで影響を及ぼし、晩冬から翌秋にかけて、棚海と深海の間で栄養塩の交換を促進します。[ 2 ]
ハイダ渦によって捕捉され輸送される栄養素は、周囲の栄養分の少ない海水に比べて、より多くの生物の成長を支えます。
渦中心のクロロフィル濃度が周囲の水と比べて高いことは、渦が一次生産を高め、1 年以内に複数回の植物プランクトンブルームを引き起こす可能性があることを示している。これらのブルームは、栄養分の増加だけでなく、渦が沿岸から渦に生物を運ぶ能力によっても引き起こされる。春のブルームは、高気圧の回転により、渦の中央に含まれる暖かく栄養分に富んだ水に十分な光が届くことによって起こる。2 回目のブルームは、渦が深海に近づき、渦の外縁部が沿岸または隣接する渦から栄養分に富んだ水を集めることができるときに発生する可能性がある。この外輪移流によって運ばれた沿岸水は、沿岸から渦に 6 日間で移動することができ、これにより沿岸の藻類が栄養分に富んだ渦水に急速に運ばれることも可能になる。嵐によって混合層の垂直対流が発生し、混合層が深くなり、下から一次生産領域に栄養素が閉じ込められると、晩夏の藻類ブルームが発生する可能性があります。[ 21 ]
渦運動エネルギー(EKE)が高い場合も、渦中のクロロフィル濃度が上昇する可能性があります。アラスカ湾北部とハイダ渦域では、EKEが高いほどクロロフィル濃度が高くなります。これは嵐によって混合層が混合しやすくなり、下から栄養塩が流入することで起こります。この相関関係から、EKEはクロロフィルブルームの発生を予測するのに使用できる可能性が示唆されています。[ 24 ]
ハイダ渦は、沿岸域の種を深海へ輸送することで動物プランクトンの分布に影響を与えます。渦が沖合へ移動した最初の夏には、沿岸域の種が動物プランクトン群集の大部分を占めることが多いですが、1~2年後には渦が消滅するにつれて減少します。日周的に鉛直移動を行う種は、より長期間にわたり渦の中心部に留まることができます。[ 25 ]
ハイダ渦が大型生物に与える影響については、まだ十分に解明されていない。ハイダ渦は、低いエネルギー消費量で餌を提供することで、キタオットセイの冬の摂食習慣に影響を与えていると考えられている。[ 26 ]渦内の魚類プランクトンの構成は、周囲の海水とは大きく異なる。種の構成は、渦が形成された場所、つまりどのような沿岸種を獲得したかによって決まる。魚類の幼生種の豊富さは渦の中心からの距離と相関しており、中心に近いほど豊富である。魚類プランクトン群集は、渦の年齢によっても変化する。[ 4 ]
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