塩排出で学ぶ深層水形成シミュレータBrine Rejection and Deep Water Formation Simulator

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 海水(塩分 約 34 psu)は何℃で凍り始めると思いますか。また、海水が凍ってできた海氷はしょっぱいと思いますか。At what temperature do you think seawater (salinity about 34 psu) starts to freeze? And do you think the sea ice that forms is salty?💡 冬の道路に塩(凍結防止剤)をまく理由を思い出しましょう。Think about why salt is spread on roads in winter.
2. 極域の海で表面の海水が重くなって深くまで沈むのは、主に「冷やされるから」と「塩分が濃くなるから」のどちらだと思いますか。In polar seas, do you think surface water becomes heavy enough to sink deep mainly because it is cooled, or mainly because it becomes saltier?💡 画面の数値表示には、密度の変化を水温によるものと塩分によるものに分けて示す項目があります。The readout on screen splits the change in density into a part due to temperature and a part due to salinity.

2動かしてみようTry it

1. 最初の設定(気温 -20 ℃、初期表層塩分 34.3 psu、速度×1)で動かし、海氷が厚くなる様子、「氷直下 S」の値、「↓塩排出」の表示、右の「水深プロファイル」の水温・塩分の線を観察する。数値表示の「凝固点」の値も読む。Start with the default settings (Air temp -20 ℃, Initial salinity 34.3 psu, Speed ×1). Watch the sea ice thicken, the "Under ice S" value, the "↓Brine out" label, and the temperature and salinity lines in the "Depth profile" on the right. Also read the "Freezing pt" value in the readout.
2. 「速度×1」ボタンを 2 回押して「速度×12」にし、500 日ほど進める。沈む水塊が届く「到達深度」、「深層流入」、海の色(密度)の変化、そして「Δρ水温」と「Δρ塩分」の値を比べる。Press the "Speed ×1" button twice to get "Speed ×12" and run for about 500 days. Compare the "Sink depth", "Deep inflow", the change in the water's color (density), and the values of "Δρ temp" and "Δρ salt".
3. 「速度×1」に戻してから「気温」を +5 ℃に上げ、海氷が融けるときの表示(「融解→淡水 塩分↓」)と表層S・表層ρの変化、沈み込みの様子を観察する。Return to "Speed ×1", then raise "Air temp" to +5 ℃. Watch what is shown while the ice melts ("Melting→fresh water, S↓"), how Surface S and Surface ρ change, and what happens to the sinking.
4. 「気温」を -1 ℃にして「リセット」を押し、「速度×12」で進める。海氷ができるかどうか、沈み込みが起こるかどうかを確かめる。Set "Air temp" to -1 ℃, press "Reset", and run at "Speed ×12". Check whether sea ice forms and whether any sinking happens.
5. 「気温」を -20 ℃に戻し、「初期表層塩分」を 32.0 psu にして(変更で初期化される)、表層の水がどのくらいの深さまで沈むかを 34.3 psu のときと比べる。Set "Air temp" back to -20 ℃ and "Initial salinity" to 32.0 psu (changing it resets the run). Compare how deep the surface water sinks with the 34.3 psu case.

3確かめようCheck

1. 海水は何℃で凍り始めましたか。海氷の塩分はどのくらいでしたか。At what temperature did the seawater start to freeze? What was the salinity of the sea ice?→ 凝固点は約 -1.9 ℃(塩分 34.3 psu で -1.89 ℃)で、0 ℃では凍らない。海氷の塩分は S≈5 で、海水(約 34)よりずっと低く、ほぼ淡水である。The freezing point was about -1.9 ℃ (-1.89 ℃ at 34.3 psu); seawater does not freeze at 0 ℃. The sea ice had S≈5, much lower than seawater (about 34), so it is almost fresh.
2. 結氷が続くと、氷の直下の海水と深層はどうなりましたか。As freezing continued, what happened to the water just under the ice and in the deep layer?→ 氷直下の塩分が上がり(500 日ほどで約 34.8)、表層密度が増して、重くなった水が沈み込んだ。到達深度は約 1000 m(海底付近)に達し、深層流入は約 50 m/日となり、断面の色が全体に濃く(高密度に)なっていった。The salinity under the ice rose (to about 34.8 after roughly 500 days), the surface density increased, and the heavier water sank. The sink depth reached about 1000 m (near the bottom), deep inflow was about 50 m/day, and the whole section turned darker (denser).
3. 「Δρ水温」と「Δρ塩分」では、密度の増加にどちらが大きく効いていましたか。Which contributed more to the increase in density: "Δρ temp" or "Δρ salt"?→ 塩分の効果がずっと大きい。結氷を続けた後で Δρ水温 は約 +0.02 kg/m³ のままだが、Δρ塩分 は約 +0.4〜+0.6 kg/m³ になった。Salinity, by far. After continued freezing, Δρ temp stayed at about +0.02 kg/m³ while Δρ salt reached about +0.4 to +0.6 kg/m³.
4. 気温を +5 ℃にしたときや -1 ℃にしたとき、沈み込みはどうなりましたか。What happened to the sinking when the air temperature was set to +5 ℃ or to -1 ℃?→ +5 ℃では海氷が融けて淡水が加わり、表層の塩分と密度が下がって(表層ρ 約 1028.0 → 約 1027.4)、沈み込みが止まった。-1 ℃では気温が凝固点より高いので海氷ができず、表層の密度もほとんど増えないため沈み込みは起こらなかった。At +5 ℃ the ice melted and added fresh water, so surface salinity and density dropped (Surface ρ from about 1028.0 to about 1027.4) and the sinking stopped. At -1 ℃ the air is warmer than the freezing point, so no ice formed, the surface density barely increased, and no sinking happened.

4考えようThink further

1. 初期表層塩分を 32.0 psu にすると、34.3 psu のときより沈み込みが浅く、深層に届くまで長い時間がかかりました。なぜでしょうか。With an initial salinity of 32.0 psu, the sinking was shallower and took much longer to reach the deep layer than with 34.3 psu. Why?→ 表層の水が下の水(約 34.6 psu)より塩分が低く軽いため、塩排出で塩分を上げても、まず下の水と同じ重さになるまでに多くの結氷が必要になる。それまでは浅い深さ(初めは約 100〜150 m)までしか沈まない。表層が淡水で軽いほど、安定な成層が深層水の形成をさまたげる。The surface water is fresher and lighter than the water below (about 34.6 psu), so a lot of freezing and brine rejection is needed before it becomes as dense as the water beneath. Until then it sinks only to shallow depths (about 100–150 m at first). The fresher and lighter the surface, the more the stable layering blocks deep water formation.
2. 地球温暖化で極域の海氷が減ったり、氷床の融け水が海に流れ込んだりすると、深層水の形成や海洋の深層循環にはどのような影響があると考えられますか。If global warming reduces polar sea ice and adds meltwater from ice sheets to the ocean, how might this affect deep water formation and the deep ocean circulation?→ 結氷が減れば塩排出が減り、融け水(淡水)が加われば表層の塩分と密度が下がるので、表層水が沈みにくくなり深層水の形成が弱まると考えられる。深層水の沈み込みは地球規模の深層循環(熱塩循環)の出発点なので、循環が弱まり、熱の運搬など気候にも影響する可能性がある。Less freezing means less brine rejection, and added meltwater lowers surface salinity and density, so surface water sinks less easily and deep water formation weakens. Because this sinking drives the global deep (thermohaline) circulation, the circulation could slow, affecting heat transport and climate.

よくある誤解Common misconceptions

• 「海水も 0 ℃で凍る」と考えがちだが、塩分を含む海水の凝固点は約 -1.9 ℃と低い。Students often think seawater freezes at 0 ℃, but because it contains salt its freezing point is lower, about -1.9 ℃.
• 「極域の水は冷たいから沈む」と考えがちだが、凝固点近くの海水では冷却による密度増加は小さく、深い沈み込みの主な原因は塩排出による塩分の増加である。Students often think polar water sinks simply because it is cold, but near the freezing point cooling raises density only slightly; the main cause of deep sinking is the salinity increase from brine rejection.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)