白波砕波による大気―海洋間のガス交換促進機構の解明

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13750497
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 杉原 裕司 九州大学, 大学院・総合理工学研究院, 助手 (70243970)
• Keywords: ガス交換 / 白波 / 風波 / 砕波 / 乱流 / 表面更新 / 再曝気

Research Abstract

本年度は,砕波を伴う風波気液界面でのガス交換係数k_Lを定量化するための風洞水槽実験を行った.表面更新モデルと風波の局所平衡仮説に基づく次元解析により,k_Lを支配する風波パラメータを導出した.その結果,気流の摩擦速度で規格化されたk_Lは,砕波係数と波風係数の積ならびに摩擦速度と表面張力重力波の波速の比により表示できることが明らかとなった.本実験ではO_2をトレーサーガスとする水槽実験によりk_Lを算定した.そして,気相・液相の流速および風波の計測を行い,風波砕波面近傍の乱流特性を明らかにした.得られた実験値に基づいて,表面更新率を算出し,それが理論的に予測される風波パラメータ依存性を支持することを確認した.そして,理論的考察と実験値に基づいて,無次元表示されたk_Lの実験式を構築した.なお,パラメタリゼーションにおいては他の研究者の実験値も考慮されている.局所平衡状態の風波気液界面では,規格化されたガス交換係数は砕波係数と波風係数の積(乱流レイノルズ数に等価)の-1/4乗に比例して減衰し,この場合の物質移動現象がマイクロスケールの表面更新渦に支配されることが明らかとなった.また,白波砕波が発生するような高風速領域ではk_Lの挙動が-1/4乗則から離脱し,ガス交換が促進されることがわかった.さらに,本研究で得られた砕波係数と波風係数の積という風波パラメータは,白波被覆率の定量化にも有効であることが確認された.来年度は,CO_2をトレーサーガスとするk_Lの計測実験を行う予定である.さらに,海洋観測塔において白波被覆率と海面フラックスの観測を行い,白波砕波がガス交換過程に果たす役割を明らかにする予定である.

Research Products

• [Publications] Y.Sugihara et al.: "The structure of turbulent boundary layer beneath wind waves"CD Proc. 3rd Int. Sympo. on Environmental Hydraulics. 1-6 (2001)
• [Publications] 杉原裕司, 津守博通: "気液界面における表面更新乱流の特性"水工学論文集. 第46巻. 529-534 (2002)