Ocean current

Japanese: 海流 - かいりゅう（英語表記）ocean current

It refers to the movement of seawater that has a certain speed, width, and thickness, and flows in roughly the same direction over a certain distance or longer period of time. There is no set definition of "a certain degree," but as a rough guide it is 10 centimeters per second (speed), 100 kilometers (width), 100 meters (thickness), 1000 kilometers (distance), and 100 days (period). Unlike rivers, the flow path (position) of ocean currents changes over time. The speed and direction within the flow path also vary depending on the location, but if averaged over a long period of time, they maintain roughly the same position, speed, and direction. Ocean currents always have names, such as the Kuroshio Current and the Oyashio Current.

[Masao Hanzawa]

The origin of ocean currents

There are two main theories about the origin of ocean currents. One is the convection theory, which says that heavy water produced on the surface at high latitudes sinks to the depths and drives the entire ocean, which generates ocean currents as part of this process. The other is the aeolian theory, which says that the force of wind acting on the ocean surface drags the ocean water. Convection currents are caused by differences in ocean water density. The source of the difference in density is the difference in water temperature due to heating and cooling at the ocean surface, and the difference in salinity due to evaporation and precipitation at the ocean surface, so the convection theory can also be called the thermohaline effect theory or thermohaline circulation theory. Leonardo da Vinci explained that "ocean water in equatorial waters is heated strongly by the sun and expands, causing the sea level to rise. The sea level at high latitudes does not rise that much, so the sea level slopes downward from the equator to the high latitudes, and the sea water slides down along this slope." This idea is close to the convection theory. The deep circulation theory of Russian physicist E. H. Lenz is a convection theory that "heavy water at the surface of high latitudes sinks, flows toward low latitudes, and rises to the surface at low latitudes," and it is almost consistent with the facts. M. F. Morley, who made a major contribution to collecting data on ocean conditions and marine meteorology, also adopted the convection theory.

James Rennel (1742-1830) described the aeolian theory in a fairly accurate way. Since Columbus in the 15th century, the number of ships crossing the Atlantic Ocean has increased, and knowledge of the Gulf Stream that flows off the east coast of North America has increased. It was already known at that time that the flow of the Gulf Stream is not related to the wind blowing above it. Rennel thought that ocean water dragged by the force of the wind accumulates near islands and continents, causing the sea level to tilt (relative to the horizontal level), and new ocean currents that are not directly related to the wind are generated. B. Franklin, a prominent politician and scientist, also adopted the aeolian theory.

It was William Benjamin Carpenter (1813-1885) who proposed the voyage of the famous research ship Challenger (1872-1876) around the world to the Royal Society. He emphasized the need for research voyages to maintain Britain's leading position in the field of oceanographic research, but the real reason for the proposal seems to have been something else. Carpenter was the person who advocated the convection theory as the cause of ocean currents. To prove the correctness of the convection theory, he twice surveyed the Strait of Gibraltar, showing that light seawater flows from the Atlantic Ocean to the Mediterranean Ocean on the surface of the strait, and heavy seawater flows from the Mediterranean Ocean to the Atlantic Ocean in the deeper layers. However, people who believed that ocean currents are caused by wind power were not convinced. Therefore, he wanted to prove his idea not in the small space of the Strait of Gibraltar, but in the large space of the world's oceans. His observations suggested that seawater that sank from the surface of the Antarctic Ocean sinks into the Atlantic Ocean, and his goal was achieved to some extent.

Carpenter and James Croll (1821-1890) engaged in a fierce debate at the Royal Society from 1870 to 1875 over these two ideas. Carpenter was an authority in the academic world. Croll was a self-taught researcher, known for arguing that the recurrence of glacial and interglacial periods was due to changes in the Earth's orbit. Croll advocated the aeolian theory. Neither of them compromised their theories, and no resolution was reached. There was not enough accumulated knowledge to reach a resolution.

Coriolis described what would later be called the Coriolis force - an apparent force that appears due to the rotation of the Earth, but is not actually a force - in 1835, but it was not until the beginning of the 20th century that it was widely recognized that it plays a very important role in ocean currents. It was not until the middle of the 20th century that the effect of the magnitude of the Coriolis force varying with latitude even when the speed of the current is the same (known as the β (beta) effect) was realized. In 1878, E. Witte, a German high school teacher, published a brilliant insight into the relationship between the Coriolis force and ocean currents, but it was completely ignored.

In 1819, the results of his research on the temperature at which seawater is densest were published, but for a long time afterwards, it was mistakenly widely believed that seawater, like freshwater, is densest at 4°C. Even Carpenter, who was deeply involved in the ocean and could be called an oceanographer, and wrote nearly 300 papers on marine life and physics, only learned in 1869 that as seawater cools, its density continues to increase until it freezes. Due to this misunderstanding, Lenz's theory was either ignored or rejected until the end of the 19th century. This was because it was believed that the temperature of deep sea water was 4°C everywhere, and therefore seawater hardly moved at all.

In the middle of the 20th century, it was discovered that the above-mentioned beta effect causes strong currents along the western edge of the ocean - currents equivalent to the Kuroshio Current and the Gulf Stream. A series of studies that considered the force of winds blowing across the ocean as an external force seemed to explain the distribution of major ocean currents, and it seemed that the 200-year-old conflict between the convection theory and the aeolian theory had been settled in favor of the aeolian theory. Convection is likely to occur if the underside of a fluid is heated, but it was thought that in the ocean, strong convection would not occur because the tropical sea surface would be heated. After World War I, Germany established the 1920s and 1930s.
Over the course of 28 years, the research vessel Meteor was dispatched to the Atlantic, where it achieved many impressive results, mainly in the South Atlantic. One of these results was the suggestion of deep-sea currents with speeds of over 10 centimeters per second. However, this result was not cited at all in the aeolian theory, which was popular in the mid-20th century, because the aeolian theory was based on the implicit understanding that deep-sea water is stationary. In addition, the aeolian theory suggested that the Kuroshio Current in the Pacific Ocean, which is much larger than the Atlantic Ocean, should be much stronger than the Gulf Stream in the Atlantic, but in reality the opposite is true. There were many things that the aeolian theory could not explain, but these discrepancies did not seem to be taken seriously.

However, eventually, a measurement method was used in which the sound emitted by a float flowing with the surrounding seawater in the deep sea was captured to determine the float's trajectory, and the flow speed was calculated from the trajectory. The measurement data showed that the deep sea water also moves at a speed of more than 10 centimeters per second in some places. In addition, a theory emerged that explained the main ocean currents in reality only by convection, and the convection theory and the wind-driven theory were once again in conflict. Unlike in the 19th century, the process of changing the density of seawater was understood to some extent. The direct factors that change the density of seawater are the inflow and outflow of heat and salt at the sea surface (the difference between evaporation and precipitation, the inflow of river water, freezing and melting of ice). Density changes depending on the location, so convection occurs, and this convection changes the distribution of water temperature and salinity, which in turn changes the density distribution, and the changed density distribution causes new convection. However, because the currents caused by wind also change the distribution of water temperature and salinity, it is not possible to numerically express the contribution ratio of convection and wind to the actual density distribution. Ocean currents are almost geostrophic, and geostrophic currents are determined by the density distribution of ocean water, so it is not possible to express numerically the ratio of the contribution of convection and wind to ocean currents. Convection and wind are intricately related to each other through density, so it is impossible to deal with their respective functions using the conventional methods used in theoretical research. The new method is numerical research using electronic computers.

Numerical simulations of atmospheric general circulation using electronic computers began in the 1950s. The first numerical simulation of ocean currents and general circulation, which was carried out about 10 years late, aimed to settle the revived conflict between the convection theory and the wind-driven theory. Although numerical simulation is not a fully established research method, the results show that the thermohaline effect alone can almost reproduce the main characteristics of real ocean currents and general circulation, but adding wind force makes it even closer to the real ocean currents and general circulation. When only wind force is applied, only weak currents are produced.

In the open ocean, far from continents and large islands, ocean currents flow almost east-west everywhere. Many of these currents are connected to strong currents that flow along the western edge of the ocean. If we trace the reasons for this back to their roots, we find that the incoming energy from the sun is greater at low latitudes and less at high latitudes, that the Earth rotates on its axis, and that the ocean is very thin (its horizontal extent is more than 1,000 times its depth). For the same reason, the atmosphere also has large-scale movements that predominate in the east-west direction, such as the trade winds and westerlies, but unlike the ocean, the atmosphere covers the entire Earth and has no wall equivalent to a coast, so winds that blow long distances in a north-south direction, such as the Kuroshio Current and the Gulf Stream, do not occur.

[Masao Hanzawa]

Observation of ocean currents

There are several methods for observing ocean currents:

(1) A method of calculating from the vertical and horizontal distribution of water temperature and salinity. The vertical distribution of water temperature and salinity is measured at two points, and the vertical distribution of density is calculated. Assuming that there is no pressure difference between the two points at a certain depth (for example, 800 meters), the pressure difference between the two points from this depth to the sea surface is calculated. If observed values are available, the pressure difference at layers deeper than this depth can also be calculated. Since ocean currents are almost geostrophic (currents in which the force resulting from the pressure difference and the Coriolis force are balanced), the speed of the ocean current can be calculated from the pressure difference. This method can also be used to calculate weak currents that are not called ocean currents. Since no pressure difference means no flow, the depth where no pressure difference is assumed is called the depth of the no-flow surface. In reality, it is not known whether a no-flow surface exists, and even if it does exist, its depth, so the weakness of this method is that its existence and depth must be assumed. However, this assumption has little effect on the surface current speed, so this method is widely used. Much of today's knowledge about ocean currents comes from this method. Except for the deep layers, geostrophic currents flow parallel to the isopycnals, with lighter water flowing to the right in the Northern Hemisphere and to the left in the Southern Hemisphere. Except for low-temperature seawater close to the freezing point, the density of seawater is determined almost entirely by temperature, so the isopycnals are almost parallel to the isotherms. Therefore, we can get a sense of the flow pattern to some extent just from the isotherms.

When a certain ocean area is surrounded by many observation points, there is a method to determine the geostrophic current so that there is no contradiction with the balance of water, heat, and salt by considering the water, heat, and salt flowing into the ocean area and the water, heat, and salt flowing out of the ocean area. A problem set up in this way is called an inverse problem, and the method of solving it is called the inverse method, which is often used in earth sciences. It is the same as a mechanical calculation in that it uses observed values of water temperature and salinity, but its strength is that it does not assume a flow-free surface.

(2) Current meter. A rope is tied to an anchor or sinker on the seabed. A float with high buoyancy is used to pull the rope tightly vertically upwards. A current meter with a built-in recorder is attached to this rope. When the measurement is finished, an acoustic signal from the observation vessel activates the release device at the bottom of the rope, which detaches the rope from the anchor or sinker and allows it to float to the surface, and the current meter is retrieved. This method has been in practical use since the 1960s. This method has a wide range of uses, as the rope can be fitted with a variety of measuring instruments, including a water temperature gauge, salinity meter, and a collector for particles falling in the sea.

The flow speed is detected by an impeller (propeller) or by sound. The acoustic method can be classified into two types: one that uses the Doppler effect and one that uses the difference in speed between the sound traveling with the current and the sound traveling against the current.

The Doppler effect is caused by acoustic reflections from particles floating in the ocean. Of all the current meters that use this effect, the Acoustic Doppeler Current Profiler (ADCP) has the most advanced capabilities. It can be installed on the ocean floor, attached to a rope, or fixed to a ship while sailing, and emits sound up or down, capturing the reflected sound and measuring the current speed at multiple depths almost instantly.

(3) Float tracking. A polar orbiting satellite receives radio waves emitted from a float that flows with the seawater on the ocean surface, and determines the float's position using the Doppler effect. The flow speed is calculated from the change in position. If the float is equipped with sensors for water temperature, air pressure, etc., this data can be sent via positioning radio waves to the satellite. In the case of floats that are designed to flow with the seawater at a roughly constant depth rather than at the ocean surface, their position is determined using sound waves. After a preset period (1-2 years) has passed, the float will rise to the surface and send position data to the satellite. Some floats will occasionally surface to communicate with the satellite, then return to the specified depth.

(4) An altimeter mounted on a satellite. It accurately measures the distance from an orbiting satellite to the sea surface. If the position of the water level is known, the sea surface slope relative to the water level, i.e., the horizontal gradient of water pressure at the sea surface, can be determined, making it possible to calculate the geostrophic current at the sea surface. This method is the most effective when limited to surface currents in the open ocean. Even if the position of the water level is unknown, data on current fluctuations can be obtained from the temporal fluctuations in sea level height.

The above two methods (3) and (4) have been used since the late 1970s. Sea level height data is available via the Internet.

Generally, ocean currents, including seawater flows, have a component that changes over a period of several tens of days. Because this component is not small, measurements over a few days are insufficient to fully understand the flow; long-term continuous measurements spanning several tens of days to several years are necessary. Ocean currents are fast at the surface, so surface current speeds cannot be measured using the rope method (2). This is because a rope cannot be maintained in a fast current for long periods of time. Ship-mounted ADCPs and satellite altimeters have made it possible for reliable surface current speed data to be obtained for the first time.

[Masao Hanzawa]

Major ocean currents of the world

Pacific Ocean Currents

The large gyres rotate clockwise in the North Pacific and counterclockwise in the South Pacific, with the opposite direction. The currents that form the North Pacific gyres are the North Equatorial Current, the Kuroshio Current, the Kuroshio Extension, the North Pacific Current, and the California Current. The Kuroshio Current originates east of the Philippine Islands, passes east of Taiwan between Taiwan and Ishigaki Island, and moves northeast along the outer edge of the East China Sea continental shelf. It flows between Yakushima and Amami Oshima, flows off the southern coast of Japan, and flows eastward near Inubosaki, becoming the Kuroshio Extension. The Kuroshio Current and the Kuroshio Extension are collectively called the Kuroshio System. The Kuroshio Extension connects to the North Pacific Current. Part of the Kuroshio Current branches off from the main stream west of Okinawa, flows north west of Kyushu, enters the Sea of Japan, and becomes the Tsushima Current. It flows further north and becomes the Tsugaru Warm Current, which flows east from the Tsugaru Strait, and the Soya Warm Current, which flows east from the Soya Strait. The Kuroshio Current has a maximum flow speed of about 3.5 knots (about 1.8 meters per second), and its width is narrow, with the width of the strong current zone of 2 knots or more being only about 30 nautical miles (about 55 kilometers). The total flow rate varies depending on the location and time, but as a rough guide it is 60 million cubic meters per second. The Oyashio Current (Kuril Current) flows southwest along the east of the Kuril Islands, reaching the southeast coast of Hokkaido and off the coast of Tohoku (off the coast of Sanriku). Its flow speed is small, at a maximum of about 1 knot (about 0.5 meters per second). The Oyashio Current brings low-temperature, nutrient-rich seawater from the north, and the area off the coast of Sanriku where it collides with the Kuroshio Current is one of the world's leading fishing grounds. The Kuroshio Current and the Oyashio Current are located on the border between them. In addition, part of the Kuroshio Current branches off east of Taiwan to become the subtropical countercurrent, which flows eastward. Observations and theoretical studies in the 1960s revealed that the subtropical convergence line is located to the north of this. The South Pacific gyres are formed by the South Equatorial Current, the East Australian Current, the West Wind Current (or Westerly Skin Current), and the Peru Current (Humboldt Current). Between the North and South Pacific gyres, at 3-8 degrees north latitude in the equatorial doldrums, there is an equatorial countercurrent that flows eastward. In other words, near the equator, there is an equatorial countercurrent flowing eastward between the westward-flowing south and north equatorial currents.

[Masao Hanzawa]

Atlantic Ocean Current

The Gulf Stream is the equivalent of the Kuroshio Current near Japan. The North Atlantic gyres are the North Equatorial Current, the Gulf Stream, the North Atlantic Current, the Portugal Current, and the Canary Current. The North Equatorial Current is connected to the Antilles Current and the Florida Current. The Gulf Stream originates from the Florida Current and flows east or northeast from off the coast of Cape Hatteras to south of Newfoundland. The Gulf Stream continues to the North Atlantic Current. The Antilles Current, the Florida Current, and the Gulf Stream are collectively called the Gulf Stream system. The flow speed reaches 3 to 4 knots (about 1.5 to 2.0 meters per second) at its strongest point, making it one of the strongest ocean currents in the world. The South Atlantic gyres are the South Equatorial Current, the Brazil Current, the West Wind Current (Skin Current), the Benguela Current, and the Guinea Current. As in the Pacific Ocean, there is an equatorial countercurrent flowing eastward between the South and North gyres.

[Masao Hanzawa]

Indian Ocean Currents

The most notable feature of the Indian Ocean currents is that they change with the seasons, especially their direction. From November to March, there are currents similar to the Pacific and Atlantic gyres, such as the Northeast Monsoon Current, the Equatorial Countercurrent, and the South Equatorial Current. However, from May to September, when the southwest monsoon develops, the Southwest Monsoon Current becomes stronger. Therefore, on world ocean current maps, it is common to show seasonal (summer/winter) charts for only the Indian Ocean. The Somali Current, which flows off the coast of Somali in Africa, is an example of a western boundary current. In addition, the Antarctic Circumpolar Current flows eastward around the Antarctic continent in the Southern Hemisphere. Its flow rate far exceeds that of the Kuroshio Current and the Gulf Stream, making it the largest ocean current in the world.

[Masao Hanzawa]

Subsurface currents

Large, strong currents called "ocean currents" usually extend to depths of several hundred meters from the sea surface, but there are exceptions. These are equatorial undercurrents. In both the Pacific and Atlantic Oceans, the South Equatorial Current flows westward on the surface of the equator, but flows eastward just below it. They are called undercurrents because they are 50 to 200 meters deep and do not appear on the sea surface. They are 200 to 300 kilometers wide from north to south on either side of the equator, with a flow speed of 1 meter per second and a flow rate of 30 to 40 million cubic meters per second. In the Pacific Ocean, they are large ocean currents that flow for distances of more than 10,000 kilometers. In the Indian Ocean, the influence of monsoons is strong, so they do not flow as steadily as the undercurrents in the Pacific and Atlantic Oceans, but they do appear in the northern hemisphere's winter when the northeast monsoons blow.

[Masao Hanzawa]

Changes in ocean currents

Some ocean currents fluctuate greatly with the seasons, as seen in some ocean currents in the Indian Ocean, where the direction of flow reverses due to seasonal winds. The Kuroshio Current and the Gulf Stream do not experience such large fluctuations in the direction of flow, but upon closer investigation, it has become clear that they undergo various long- and short-term fluctuations. The most characteristic of the long-term fluctuations of the Kuroshio Current are the appearance of a large cold water mass, which can be seen off the coast of Kishu and off the coast of Tokaido, south of Honshu, and the change in the Kuroshio Current's course. The Kuroshio Current has two courses. One flows straight eastward from the coast of Shikoku, passing through Cape Shionomisaki, along the southern coast of Honshu, and the other suddenly changes direction to the southeast off the coast of Kishu and the Enshu Nada Sea, then meanders widely before coming ashore again near the Izu Islands. When the Kuroshio Current takes the second course, a large cold water mass with a diameter of more than 100 kilometers appears between the Kuroshio Current and Honshu, and this state can last from several months to several years. This phenomenon was first reported in the early Showa period, and has been frequently observed since. The second river channel was initially described as an "anomaly," but today the idea that there were two river channels has become established.

As an example of short-term fluctuations, when the Kuroshio Current flows eastward from the vicinity of Inubosaki, its flow path can meander, and its axis can move more than 10 nautical miles in a day in the same location. Eddies containing cold and warm water can also be separated to the north and south of the Kuroshio Current axis. The appearance and disappearance of such eddies is also frequently observed in the Gulf Stream. These eddies were first identified in 1950 during the Cabot Observation, the first ever synoptic oceanographic observation of the Gulf Stream.

Many changes in ocean currents have been clarified thanks to advances in observation methods, but many aspects of their causes and mechanisms remain unknown, making them a major research topic for the future.

[Masao Hanzawa]

Ocean currents and humans

Ocean currents and humans have had a deep connection since ancient times. The first surprises and threats that humans encounter when setting out to sea are, and remain unchanged to this day, waves and ocean currents. At some point, humans began to "utilize" these ocean currents. This resulted in the movement of peoples, their use as trade routes, political and military activities, and the spread of disease. Huntington depicted the deep correlation between the two in "Climate and Civilization," and the issue of ocean currents and civilization could also become a theme for interdisciplinary research.

The biggest problem in this regard is the migration of peoples. A groundbreaking example of an approach to this problem is Heyerdahl's epic drifting experiment in the South Pacific with the Kon-Tiki (1947). This experiment proved that it was possible that the ancestors of the Polynesians crossed the sea from South America on the Peruvian Current and the South Equatorial Current. Of course, there are many points that need to be clarified, such as whether they had knowledge of these currents and what was the inevitability of their migration. There have been other drifting experiments since then, such as Heyerdahl's Ra II (1970) and Japan's bamboo raft Yam (1977). In Japan, the theory of Kunio Yanagita in "The Road on the Sea" is interesting in relation to ocean currents and the migration of peoples and cultural artifacts.

Until the early 19th century, when steam engines were introduced to power ships, ships relied on ocean currents and winds to navigate. In 1564, Spanish navigator Urdaneta joined Legazpi's expedition to the Philippines, and after arriving in the Philippines, he traveled north and rode the Kuroshio Current, then rode the North Pacific Current to reach the coast of North America, and then rode the California Current south to return to Mexico. After reaching the American continent, Spain was successful in sailing from the American continent to the Philippines using the North Equatorial Current and the trade winds, but was unable to return to the American continent on almost the same route against the ocean currents and winds. Urdaneta's discovery of a new sea route via the North Pacific Ocean helped to establish Spanish rule over the Philippines.

It was the American scientist Maury who established an international system for using ocean currents and winds for navigation. He believed that collecting data on ocean currents, waves, winds, fog, icebergs, etc., and using them for navigation would increase the safety of voyages and shorten the number of days spent at sea. He compiled the voyage records of many ships and published "Wind and Current Charts of the Atlantic, Pacific, and Indian Oceans" in 1849, followed by "How to Navigate with Wind and Current Charts". His charts and their use were highly praised, due to the need to transport tea from India to England as quickly as possible during the age of high-speed sailing ships, and the need to shorten the number of days spent traveling between the east and west coasts of North America via Cape Horn in California during the Gold Rush. Soon, in accordance with his wishes, many ships began to send him oceanographic and meteorological data.

In 1853, following Morley's proposal, an international conference decided that "every ship at sea should make observations of the weather and sea conditions in a fixed manner." Since then, the collected data has become the basis of our current knowledge of marine weather and sea conditions. This agreement is still useful today for making voyages safer and shortening the time it takes, but it also helped to boost the morale of sailors. Morley's The Physical Geography of the Sea, published in 1855, was the world's first oceanography textbook.

[Masao Hanzawa]

"Lectures on Oceanography, all 15 volumes (1972-1976, University of Tokyo Press)" ▽ "The Story of Ocean Currents, by Hidaka Koji (1983, Tsukiji Shoten)" ▽ "The Sea and Civilization, edited by Hamada Takashi (1987, University of Tokyo Press)" ▽ "The Global Environment as Seen from the Sea, 3rd Edition, edited by Sudo Hideo (1994, Seizando Shoten)" ▽ "An Introduction to Oceanography, by Sekine Yoshihiko (2000, Seizando Shoten)" ▽ "The Sea and Humans, edited by Sasaki Tadayoshi (Iwanami Junior New Books)"

Principles of ocean current generation
©Takashi Aoki

Principles of ocean current generation

Global ocean current distribution (summer)
©Shogakukan ">

Global ocean current distribution (summer)

Surface currents near Japan
©Shogakukan ">

Surface currents near Japan

Deep current distribution
©Shogakukan ">

Distribution of deep currents

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

海水がある程度以上の速さ、幅、厚みをもち、ある程度以上の距離を、ある程度以上の期間にわたってほぼ同じ方向に流れる運動をいう。「ある程度」には決まった定義はないが、いちおうの目安としては、毎秒10センチメートル（速さ）、100キロメートル（幅）、100メートル（厚み）、1000キロメートル（距離）、100日（期間）である。川と違って海流の流路（位置）は時間とともに変わる。また流路のなかでの速さや向きは場所によっても変わるが、長い時間で平均をとれば、ほぼ同じ位置、速さ、向きを保っている。黒潮、親潮のように海流にはかならず名前がついている。

［半澤正男］

海流の成因

海流の成因について大きく分けて二つの考え方があった。一つは高緯度の表層でつくられる重い水が深層に沈んで海水全体を駆動し、その一環として海流が生ずるという対流説であり、もう一つは海面に働く風の力が海水を引きずるという風成説である。対流は海水密度の違いによって起きる。密度の違いの源は海面での加熱・冷却による水温の違いと、海面での蒸発・降水による塩分の違いなので、対流説は熱塩効果説、あるいは熱塩循環説といいかえてもよい。レオナルド・ダ・ビンチは、「赤道海域の海水は太陽によって強く熱せられて膨らみ、海面は高くなる。高緯度の海面はそれほど高くならないから、海面は赤道から高緯度に向かって下り勾配(こうばい)となり、この斜面に沿って海水は滑り落ちる」という意味の説明をしている。この考えは対流説に近い。ロシアの物理学者E・H・レンツの深層循環説は、「高緯度の表層の重い水が沈降し、低緯度に向かって流れ、低緯度で表層へ浮かび上がる」という対流説で、事実とほぼ一致している。海況・海上気象データの収集に大きな貢献をしたM・F・モーリーも対流説を採った。

　風成説をかなり正しい形で述べたのはレネルJames Rennel（1742―1830）である。15世紀のコロンブス以後、大西洋を横断する船が増え、北アメリカの東岸沖を流れる湾流に関する知識は増えていた。当時すでに湾流の流れ方とその上を吹く風とは関係がないことはわかっていた。レネルは、風の力で引きずられた海水が、島や大陸の近くに集積して海面が（水準面に対して）傾斜し、新しい、風とは直接の関係がない海流が生ずるのだ、と考えた。優れた政治家であり、科学者でもあったB・フランクリンも風成説を採った。

　名高い観測船チャレンジャーChallengerの世界一周探検航海（1872～1876）をイギリス王立協会で提案したのはカーペンターWilliam Benjamin Carpenter（1813―1885）である。彼は、海洋研究の分野でイギリスの指導的地位を確保し続けるための研究航海が必要であることを強調したのであるが、本当の提案理由は別のところにあったらしい。カーペンターは海流の成因として対流説を唱えた人である。対流説が正しいことを実証するために二度にわたってジブラルタル海峡を調査し、海峡の表層では軽い海水が大西洋から地中海へ、深層では重い海水が地中海から大西洋に流れていることを示した。しかし、海流は風の力で起きると信じていた人々は納得しなかった。そこで彼は、ジブラルタル海峡という小さな空間ではなく、世界中の海という広い空間で自分の考えを証明したかったのである。観測結果は南極海の表層から沈んだ海水が大西洋にもぐりこむことを示唆しており、彼の目的はある程度は達せられた。

　これら二つの考え方をめぐって、カーペンターとクロルJames Croll（1821―1890）は1870年から1875年までイギリス王立協会を舞台に激しい論争を繰り広げた。カーペンターは学界の権威者である。クロルは独学の研究者で、氷期・間氷期の繰り返しは地球の軌道の変化によるとしたことで知られている。クロルは風成説を主張した。二人とも自説を曲げず、決着をみなかった。決着をつけるだけの知識の積み重ねがなかった。

　コリオリが、のちにコリオリの力とよばれる力――地球の自転に伴って現れる見かけ上の力、本当は力ではないが――について述べたのは1835年であるが、それが海流に対して非常にたいせつな働きをしていることが広く認められるのは20世紀初めである。流れの速さが同じであってもコリオリの力の大きさは緯度によって変わることの効果（β(ベータ)効果という）に気づくのは20世紀のなかばである。1878年にドイツの高校教師ビッテE. Witteは、コリオリの力と海流の関係について卓見を発表していたが、まったく顧みられなかった。

　1819年に「海水の密度が最大になる温度」の研究結果が発表されていたが、その後、長い間、淡水と同じく「海水も4℃で密度が最大になる」と誤って広く信じられていた。海洋研究者といってもよいほどに海に深くかかわり、海の生物や物理について300篇に近い論文を書いたカーペンターですら、「海水が冷えてゆくとき、凍るまで密度は増え続ける」ことを知ったのは1869年だった。この誤解がもとで、レンツの説は19世紀末まで無視されるか否定されるかのどちらかだった。深海の水温はどこでも4℃であり、したがって海水はほとんど動いていないと信じられていたからである。

　20世紀のなかばになって、上述のβ効果が海の西の縁に沿う強い流れ――黒潮や湾流に相当する流れ――を引き起こすことがわかった。外力として大洋上を吹く風の力を与えた一連の研究は、おもな海流の分布を説明できたようなので、200年も続いた対流説・風成説の対立は風成説で決着したようにみえた。流体の下面を熱すれば対流を起こしやすいが、海では熱帯の海面を熱していることになるので強い対流は起きないのだといわれていた。第一次世界大戦のあとドイツは1925年から19
28年にかけて観測船メテオールを大西洋に派遣し、おもに南大西洋で、多くの立派な成果をあげた。その一つは毎秒10センチメートル以上の速さの深海の流れを示唆したことである。しかし、この結果は、20世紀なかばに華やかだった風成説ではまったく引用されなかった。風成説は、深海の水は静止している、という暗黙の認識の上にたっていたからである。また、風成説では、大西洋よりもずっと広い太平洋の黒潮は大西洋の湾流よりもずっと強いはずであるが、現実は逆になっているなど、風成説では説明しがたいことがいくつもあったが、これらの食い違いは重視されなかったようである。

　しかし、やがて、深海をまわりの海水とともに流れる浮きから発する音をとらえて浮きの軌跡を求め、その軌跡から流れの速さを求める計測法が使われるようになった。計測データは深海の水も場所によっては毎秒10センチメートル程度以上の速さで動いていることを示した。また、対流だけで現実のおもな海流を説明する理論が現れたりして、ふたたび対流説・風成説が対立することになった。19世紀とは違って、海水密度を変える過程はある程度はわかっていた。海水密度を変える直接の要因は海面での熱の出入りと塩分の出入り（蒸発量と降水量の差、河川水の流入、結氷、融氷）である。密度は場所によって変わるから対流が起き、その対流が水温・塩分の分布を変え、その結果、密度分布を変え、変わった密度分布が新たな対流を引き起こす。しかし、風が起こす流れも水温・塩分の分布を変えるので、現実の密度分布に対する対流と風の寄与の割合を数値で表すことはできない。海流はほぼ地衡流であり、地衡流は海水の密度分布でほぼ決まるので、海流に対する対流と風の寄与の割合を数値で表すこともできない。対流と風とは密度を通じて複雑に関係し合っているので、それぞれの働きを理論研究に使われてきた従来の手法で扱うことは不可能である。新しい手法は電子計算機による数値研究である。

　1950年代から、電子計算機による大気大循環の数値シミュレーションが始まった。約10年遅れて行われた最初の海流・海洋大循環の数値シミュレーションの目的は復活した対流説・風成説の対立に決着をつけることだった。数値シミュレーションは完全に確立された研究手法ではないが、その結果によると、熱塩効果だけで現実の海流・大循環のおもな特徴をほぼ再現できるが、風の力を加えればさらに現実の海流・大循環に近くなる。風の力だけを働かせた場合には弱い流れしかできない。

　大陸や大きい島から遠い外洋では、海流はどこでもほぼ東西方向に流れる。これらの海流の多くは、海の西の縁を流れる強い海流に連なっている。そうなる理由を根源にさかのぼれば、太陽からの入射エネルギーが低緯度で多く、高緯度で少ないということ、地球が自転していること、海が非常に薄い（横の広がりが深さの1000倍以上もある）ということである。大気も同じ理由で、貿易風や偏西風のように大規模運動は東西方向に卓越するが、海と違って大気は地球全体を覆っていて海岸に相当する壁がないので、黒潮や湾流に相当する南北方向に長い距離を吹く風は生じない。

［半澤正男］

海流の観測

海流の観測には、以下の方法がある。

(1)水温と塩分の鉛直・水平分布から計算する方法。二つの点で水温と塩分の鉛直分布を測り、密度の鉛直分布を求める。ある深さ（たとえば800メートル）では2点間に圧力差がないと仮定して、この深さから海面までの2点間の圧力差を計算する。観測値があればこの深さよりも深い層での圧力差も計算できる。海流はほぼ地衡流（圧力差から生ずる力とコリオリの力がつり合っている流れ）だから、圧力差から海流の速さを計算できる。力学計算という。海流の名ではよばれない弱い流れもこの方法で計算できる。圧力差がないということは流れがないことになるので、圧力差がないと仮定した深さを無流面の深さという。現実には無流面が存在するかどうか、存在するとしてもその深さはわからないので、その存在と深さを仮定しなければならないことがこの方法の弱点である。しかし、表層流速に対してはこの仮定の影響は小さいので、広く使われている方法である。海流についての今日の知識の多くはこの方法による。深層を除くと地衡流は、北半球では軽い水を右に、南半球では左に見て等密度線に平行に流れる。氷点に近い低温海水を除くと海水の密度は温度だけでほぼ決まるので等密度線は等温線とほぼ平行になる。したがって等温線からだけでも流れの様子をある程度は知ることができる。

　ある海域を多数の観測点が取り囲んでいる場合には、この海域に流れ込む水と熱と塩分、この海域から流れ出る水と熱と塩分を考えて水・熱・塩分の収支と矛盾がないように地衡流を決めるという方法がある。このように設定された問題を逆問題（inverse problem）、これを解く方法を逆問題法（inverse method）といい、地球科学などでしばしば使われる。水温と塩分の観測値を使うことでは力学計算と同じであるが、無流面の仮定を設けないことが強みである。

(2)流速計。海底の錨(いかり)や錘(おもり)にロープを結びつける。大浮力をもった浮きを使ってこのロープを鉛直上方に強く張る。このロープに記録計内臓の流速計を装着する。測定が終わったらロープ下部の切り離し装置を観測船からの音響信号で働かせ、ロープを錨や錘から切り離して浮上させ、流速計を回収する。1960年代から実用となった方法である。ロープには水温計、塩分計、海中を落下する粒子の捕集器などさまざまな計測器を装着できるのでこの方法の用途は広い。

　流れの速さの感知部にはインペラ（プロペラ）や音響などが使われる。音響式はドップラー効果を利用するものと音が流れに乗って伝わるときの速さと流れに逆らって伝わるときの速さの差を利用するものがある。

　ドップラー効果は海中を浮遊する微粒子による音響反射によって生ずる。これを利用する流速計のうちADCP（Acoustic Doppeler Current Profiler）はもっとも高い機能をもつ。海底に設置、ロープに装着、あるいは航行する船舶に固定して音を上または下に発射し、反射音をとらえて多数の深さでの流速をほぼ瞬時に測ることができる。

(3)浮きの追跡。海面を海水とともに流れる浮きから発射される電波を極軌道人工衛星が受信し、ドップラー効果を使って浮きの位置を決める。位置の変化から流速を求める。浮きの水温や気圧などの感知部を装着すれば、そのデータを位置決めの電波にのせて衛星に送ることもできる。海面ではなくほぼ一定の深さを海水とともに流れるようにつくられた浮きの場合、その位置は音波を使って決める。あらかじめ設定した期間（1～2年）が過ぎたら海面に浮上して位置データを人工衛星に送る。ときどき浮上して衛星と交信したあと、ふたたび所定の深さに戻る浮きもある。

(4)人工衛星搭載の高度計。軌道衛星から海面までの距離を正確に測る。水準面の位置がわかっていれば水準面に対する海面傾斜、つまり海面での水圧の水平勾配がわかるので海面での地衡流を計算できる。外洋の表層の流れに限ればこの方法がもっとも有力である。水準面の位置がわからなくても海面の高さの時間変動から流れの変動についてのデータは得られる。

　上の二つの方法(3)と(4)は1970年代の終わりころから使われている。海面高度データはインターネットを通じて得られる。

　海流を含めて一般に海水の流れには数十日の周期で変化する成分がある。この成分は小さくないので、流れをよく理解するには数日間の計測では不十分であり、数十日から数年に及ぶ長期の連続計測が必要である。海流は表層では速いからロープを使う方法(2)では表層流速を測れない。ロープを速い流れのなかで長期にわたって維持できないからである。船舶固定のADCPや衛星高度計によって初めて信頼できる表層流速データが得られることとなった。

［半澤正男］

世界のおもな海流

太平洋の海流

大きな環流系は北太平洋では時計回り、南太平洋では反時計回りで回る向きが逆である。北太平洋の環流を形成する海流は、北赤道海流、黒潮、黒潮続流、北太平洋海流、カリフォルニア海流である。黒潮はフィリピン群島の東方に発し、台湾東方から台湾と石垣島の間を通り、東シナ海大陸棚の外縁に沿って北東に進む。屋久(やく)島と奄美(あまみ)大島との間を通り日本南岸沖を流れ、犬吠埼(いぬぼうさき)付近から東方に流れ、黒潮続流となる。黒潮と黒潮続流をあわせて黒潮系という。黒潮続流は北太平洋海流につながる。黒潮の一部は沖縄西方で主流から分岐し、九州西方を北上し、日本海に入り、対馬(つしま)海流となる。さらに北上し、津軽海峡から東へ流れる津軽暖流、宗谷(そうや)海峡から東へ流れる宗谷暖流となる。黒潮の最強流速は3.5ノット（毎秒約1.8メートル）ぐらいで、流れの幅は狭く、2ノット以上の強流帯の幅は30海里（約55キロメートル）程度しかない。全流量は、場所によっても時間によっても変わるが、いちおうの目安としては毎秒6000万立方メートルである。親潮（千島海流）は千島列島の東沿いに南西に向かって流れ、北海道南東岸から東北地方沖（三陸沖）に達している。その流速は小さく、最高で1ノット（毎秒約0.5メートル）程度である。親潮は北方から低温で栄養塩に富む海水をもたらし、黒潮と衝突する三陸沖は、このため世界有数の漁場になっている。黒潮と親潮との境には黒潮前線と親潮前線がある。また黒潮の一部は台湾の東方沖で分岐して亜熱帯反流となり、東方に向かう。その北側に亜熱帯収束線があることが1960年代の観測や理論研究で明らかになった。南太平洋の環流を形成するものは、南赤道海流、東オーストラリア海流、西風海流（または西風皮流）、ペルー海流（フンボルト海流）である。北太平洋と南太平洋の環流系の中間、赤道無風帯内の北緯3～8度には赤道反流があって東へ流れている。つまり、赤道近くでは西に向かう南・北赤道海流の間に、東へ向かう赤道反流が流れているわけである。

［半澤正男］

大西洋の海流

日本近海の黒潮に相当するものはガルフストリームである。北大西洋の環流系は、北赤道海流、ガルフストリーム、北大西洋海流、ポルトガル海流、カナリー海流である。北赤道海流はアンティル海流とフロリダ海流につらなる。フロリダ海流を源としてハッテラス岬沖からニューファンドランド島の南まで東または北東に流れるのがガルフストリームである。ガルフストリームは北大西洋海流へと続いている。アンティル海流、フロリダ海流、ガルフストリームを一括してガルフストリーム系という。流速は最強部で3～4ノット（毎秒約1.5～2.0メートル）に達し、世界の強大海流の一つである。南大西洋の環流系は、南赤道海流、ブラジル海流、西風海流（皮流）、ベンゲラ海流、ギニア海流である。太平洋の場合と同じく南・北両環流系の間には、東向きに流れる赤道反流がある。

［半澤正男］

インド洋の海流

インド洋の海流のもっとも大きな特徴は、季節によりその様相、とくに流向が変わることである。11月～3月には、太平洋、大西洋の環流系と同じような海流、北東季節風海流（モンスーン海流）・赤道反流・南赤道海流がある。しかし南西季節風が発達する5～9月には、南西季節風海流が強くなる。したがって世界の海流図では、インド洋の部分だけ季節別（夏季・冬季）の図を示すのが普通となっている。アフリカのソマリ沖を流れるソマリ海流は、西岸境界流の一例である。なお、南半球の南極大陸の周りには、南極を一周する（周）南極海流が東向きに流れる。その流量は黒潮や湾流をはるかに上回り、世界一の大海流である。

［半澤正男］

表層下の海流

「海流」の名でよばれる大きな、強い流れは、海面から数百メートルの深さにまで及んでいるのが普通であるが、例外もある。赤道潜流(せんりゅう)である。太平洋でも大西洋でも赤道の表層では南赤道海流が西向きに流れているが、その直下は東向きの流れになっている。50～200メートルの深さにあって、海面に姿を現さないので潜流という。南北の幅は、赤道を挟んで200～300キロメートル、流速は毎秒1メートルにも達し、流量は毎秒3000万～4000万立方メートルになる。太平洋では1万キロメートル以上の距離を流れる大海流である。インド洋では季節風の影響が強いので、太平洋や大西洋の潜流ほどには定常な流れにはならないが、北東季節風が吹く北半球の冬には現れる。

［半澤正男］

海流の変化

季節風によって流向が逆転するインド洋の一部の海流にみられるとおり、季節により大きく変動する海流もある。黒潮やガルフストリームでは、このような流向の逆転という大変動はないが、よく調べると、長周期、短周期でいろいろな変動をしているのがわかってきた。黒潮の長周期変動のうちもっとも特徴的なのは、本州南方の紀州沖や東海道の沖などにみられる大冷水塊の出現と、黒潮の流路の変化である。黒潮には、二つの流路がある。一つは、四国沖から潮岬を経て本州南岸沿いにまっすぐ東へ向かって流れるもので、もう一つは、紀州沖や遠州灘沖で急に流向を南東に変え、大きく蛇行して伊豆諸島付近でふたたび接岸するというものである。二つめの流路をとるとき、黒潮と本州との間には直径100キロメートル以上の大冷水塊が出現し、この状態が数か月から数年間も続くことがある。この現象は昭和の初めに初めて報告され、以後しばしば観測されている。二つめの流路は、当初は「異変」といわれていたが、今日では、二つの流路があるという考え方が定着した。

　短周期変動の例としては、黒潮が犬吠埼付近から東へ流れ去るとき、流路が蛇行をおこすことがあり、同一箇所で1日10海里以上も流軸が移動することもある。またこの黒潮流軸の南北に冷水や暖水を抱え込んだ渦が切り離されることもある。ガルフストリームにおいても、このような渦の発生・消滅がたびたび観測される。これらの渦は、1950年に湾流を対象とした史上初の総観海洋観測「キャボット観測」で初めて明らかにされた。

　海流の変化については、観測法の発達により明らかにされたものが非常に多い。しかしその原因、発生機構については不明な点も少なくなく、今後の大きな研究課題の一つである。

［半澤正男］

海流と人間

海流と人間とは太古より深くかかわり合ってきた。海に乗り出していく人間が初めて出会う驚きと脅威は、波であり、海流であることはいまも変わりはない。そして人間はいつのころからか、この海流を「利用」し始めた。その結果が、民族の移動、通商路としての活用、政治・軍事活動、疾病の伝播(でんぱ)であった。ハンティントンは『気候と文明』で両者の深い相関を描き出してみせたが、海流と文明という課題も学際的な探究として一つのテーマとなりうるであろう。

　これについてもっとも大きな問題は、民族の移動である。この問題にアプローチした画期的な例は、ヘイエルダールのコン・ティキ号による南太平洋の壮大な漂流実験（1947）である。この実験によって、ペルー海流と南赤道海流にのって、ポリネシア人の祖先が南アメリカから海を渡ってきた可能性のあることが立証された。もちろん、彼らにこの海流についての知識があったのか、移住の必然性は何であったのかなど、解明を要する点も多い。その後も、ヘイエルダールのラー2世号（1970）や、日本の竹筏(いかだ)ヤム号（1977）などの漂流実験がある。日本では柳田国男(やなぎたくにお)の『海上の道』の所説が海流と民族、文物の移動に関連して興味深い。

　船の動力として蒸気機関が登場する19世紀初めまで船は海流と風を頼りにして航行していた。1564年にスペインの航海者ウルダネータはレガスピのフィリピン遠征隊に参加し、フィリピンに到着したあと、北上して黒潮に乗り、さらに北太平洋海流に乗って北アメリカ沖に達し、次にカリフォルニア海流に乗って南下しメキシコに帰った。スペインはアメリカ大陸にたどりついたあと、北赤道海流と貿易風を利用してアメリカ大陸からフィリピンへの航海には成功していたが、ほぼ同じ航路を海流と風に逆らってアメリカ大陸に戻ることはできなかった。ウルダネータが北太平洋経由の新航路を発見したことによってスペインのフィリピン支配は確立に向かった。

　海流と風を航海に利用するための国際体制をつくったのはアメリカのモーリーである。海流、波、風、霧、氷山などのデータを集めて航海に利用すれば航海の安全は増し、航海日数も短縮できると考え、多数の船の航海記録を整理して1849年に『大西洋、太平洋、インド洋の風・海流図』を刊行し、次に『風・海流図を使って航海する方法』を刊行した。ちょうど高速帆船の時代で、インドの茶を少しでも速くイギリスに運ぶ必要があったことや、カリフォルニアはゴールドラッシュで南アメリカ大陸のホーン岬沖経由の北アメリカ大陸東岸・西岸間の航海日数を縮める必要があったことなどの事情があって、彼の図とその利用法は高く評価された。やがて、彼の希望に沿って、多数の船から海洋・気象データが彼のもとに送られてくるようになった。

　1853年には、モーリーの提案に従って「航海中のすべての船は、決まった方式によって気象・海況の観測を行うこと」が国際会議で決まった。以後、集積されたデータが、海上気象・海況についての現在の知識の基礎となっている。この取り決めは現在でも航海の安全と日数短縮に役立っているが、船員の士気を高めることにも役立った。なお、モーリーが1855年に刊行した『海の自然地理学』（The physical geography of the sea）は世界で最初の海洋学の教科書である。

［半澤正男］

『『海洋学講座』全15巻（1972～1976・東京大学出版会）』▽『日高孝次著『海流の話』（1983・築地書館）』▽『浜田隆士編『海と文明』（1987・東京大学出版会）』▽『須藤英雄編著『海からみた地球環境』3訂版（1994・成山堂書店）』▽『関根義彦著『海洋物理学概論』（2000・成山堂書店）』▽『佐々木忠義編『海と人間』（岩波ジュニア新書）』

[参照項目] | インド洋 | 海 | 親潮 | 海洋 | 海洋科学 | 海洋観測 | 海洋大循環 | 海流発電 | ガルフストリーム | 寒流 | 北赤道海流 | 黒潮 | コリオリの力 | 深層流 | 吹走流 | 西風海流 | 赤道海流 | 潜流 | 大西洋 | 太平洋 | 暖流 | 地衡流 | 潮流 | 表層流 | 風成海流 | ペルー海流

海流の発生原理

世界の海流分布（夏季）

日本近海の表面海流

深層流の分布

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

<<: Kairyuoji Temple

>>: Discipline - Discipline