台風と同位体 †

少し前から、筆保さんとの、台風内の同位体比の変動と水蒸気起源に関する議論がアツイ。

観測結果を分析すると、台風の内部に進むほど水蒸気・降水の同位体比が下がっていくのはいたって合理的なのだが、d-excess（水素同位体比・酸素同位体比を組み合わせた指標→蒸発の程度を示す）まで下がっている。

この現象は、今までの知見からすると理解しがたい。雨滴からの再蒸発があるなら、全体的にみてd-excessは内部に行くほど増加するはずだからだ。ところが、「今までの知見」を定量的に組み込んである全球数値モデルを使って台風時の同位体比分布を再現してみたところ、同位体比もd-excessも中心に向けて下がる、という観測の傾向が再現された。

要するに、頭の中とコンピューターの中で、同じような現象を同じような法則を使って考えているのに、違う結果になったわけ。 理由を突き止めていくと、頭の中の分析では、「今までの知見」を感覚的に（もしくは一部のみ）利用していたのが悪かった、ということがわかった。まあ、ぶっちゃけていうと「頭悪かった」。

今回の問題では、d-excessという指標と蒸発という現象のつながり（相関）の良さから、直接的に「雨滴からの蒸発」に囚われていたが、実は「海面からの蒸発」が大いに効いていたのである。台風地域の真下なんてベトベトに湿っているから蒸発出ないだろーと思っていたけど、ジャンジャン出ているのね、これが。恐るべし、低気圧アンド強風。

タネを明かされればなーんだ、的なものかもしれないが、最初の発見なんて大体そんなもの。その論文を、筆保さんが早速書き上げられました。近々投稿されることでしょう。

category:Research author: kei at 2007-08-02 (Thu) 10:03:51
  • 時間があれば、d-excessについて教えてください。 蒸発を繰り返せば、重い水が液体の側に残るので、水蒸気が軽くなるのはすぐに理解できます。だから、同位対比は水素、酸素ともに小さくなると理解できます。「再蒸発によりd-excessが大きくなるはず」とありますが、分子量19である水分子(HD16O)が分子量20である水分子(DD16OあるいはHH18O)の方が蒸発しやすいはずなので、残った水はDの少ない水のように思います。d-excessで何がわかるか？というところが理解できないでいます。 -- koshida 2007-08-05 (Sun) 21:04:59
  • コメントありがとうございます。「残った水にDが少ない（d-excessが小さい）」というのは、その場の雨滴のみを見ているとそのとおりです。が、そのいわば反作用で水蒸気のほうはDが多くなりますよね。そのような効果が続きながら水蒸気塊が台風内部に進んでいく、と考えると、だんだん水蒸気塊（とそれを起源とする降水）のd-excessは高くなっていくはず、と考えたのです。
    ===
    d-excessとは、deuterium-excessの略で「δD-8*δ18O」で定義される指標です。雨の同位体比観測の結果を横軸δD縦軸δ18Oのグラフのプロットしたとき、δD=8*δ18O+10の直線（天水線と呼びます）上になぜか良く乗ることに由来しており、いわば「特殊な雨」の程度をあらわすのに、その点を通る傾き8の直線を引っ張ったときの縦軸切片をd-excessと呼ぼう、と定義したに過ぎません。傾き8というのは平衡分別のみでよく説明できるので、天水線に乗らない「特殊な雨」は、なんらかの動的分別の効果を激しく受けているのだろう、と考えられます。従ってd-excessの値が+10‰からどれくらいずれているかによって、「動的分別の効果」を見ることができるわけです。
    動的分別の効果が大きい現象は、ひとつは乾燥条件下の急激な蒸発ということがわかっているので、はしょって「蒸発の程度の指標」と書きました。ただ、大気中で行われている蒸発か、海からの蒸発か、ということまでは簡単にはわかりえない上、他にも変動原因があるし（氷晶形成とか）、低温や低同位体比では平衡蒸発でもd-excessを大きく変動させる要因に成り得るため、結局のところよくわからない指標、ということが多いです。 -- kei 2007-08-06 (Mon) 10:10:49
  • 丁寧な解説ありがとうございます。台風自身が生み出す雨から蒸発した(Dの多い)水蒸気を再利用しているよりも、海からの(比較的Dの少ない)水蒸気をたくさん利用しているということですね。台風の成因はまだわからないことが多いそうですから、今回の発見は台風の理解の助けになると思います。 -- koshida 2007-08-06 (Mon) 21:10:58
  • そのとおりです。というか、ずっと明快な説明ですね！ふむふむ。 -- kei 2007-08-06 (Mon) 22:24:21

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