ターンオーバーと対流

まずは対流から述べる。
日中、表層は太陽光で暖められて高温化する。水は高温ほど低密度になる（分子の動きが活発になるためだ）ので、温かい水が表層に集まり、比較的密度の高い冷たい水が底に落ちる。
つまりHotな表層からCoolな底層に徐々に温度が変化していく。これを温度勾配と言う。
なお、エネルギーは高温側から低温側に伝わるが、熱伝導率が「単位時間に単位面積を通過する熱エネルギー）を温度勾配で割った物理量(By Wikipedia)」で定義され、水のその値が0.6W/(m・K)であることからなかなか温度が伝わらない（金属が100～1000）。
よって温度勾配が発生する。

朝方の気温低下で表層が冷やされると温度勾配に逆転が生じ、高密度の冷やされた表層が下層まで降下する。なお、表層水温は最高気温と湿度から逆算できるがここでは割愛する。湿度が100%だと水温と気温は同じ。

上述の表層水の降下が対流であり、陸に近い浅場ほど冷やされるので対流は浅場から深場への底流と深場中央から噴出するような流れが生じる。
他にも風による対流もあるが、これは表層水が風下に押し寄せられて風下の水が深場へ流れる現象。これが生じると風上側には底水が押し上げられる。

さて、温度差による対流は温度勾配に基づく深さまでしか撹拌できない。よって対流層の深さは温度勾配と最低気温と湿度から求まる表層温度で確定され、一日の最高/最低気温が一定の時期、対流層内ではほぼ一定の水温を一定の深さで維持する。しかし夏は朝方の表層温度低下と温度躍層を通じた下層への熱交換があるため対流層内が徐々に高温化する。
日中は対流圏内に温度勾配が発生することが容易に想定できる。

秋になると最低気温が低下することで表層水温が低下。日照時間が低下するため表層温度の加熱要因消失。というメカニズムが働く。
表層水温が低下すると結果的に対流層が深くなるので温度躍層を破る。
温度躍層の下は対流圏外のため低酸素域であることが多いので酸素不足となる。ただ、溶存酸素量は低温ほど大きいので。全体の水温低下に伴って酸素量は増える。

なごみの湖で盆以降に調子が悪くなったのは下記メカニズムと考えられる。
・最低気温低下で対流層が深くなった。
・温度躍層下の水が対流層に混じった。
結果として低酸素の水となる。

ここで大雨が降って流れ込む水が温度躍層よりも低温であると温度躍層下の水が堰堤側から掻き上げられてオーバーフローで落ちる。

さらに花崗岩質のなごみの湖は沢筋からの「湧水」もあるので大雨が降ると湧水の勢いも増すだろう。これは大雨時に底から温度躍層を破るメカニズムになると思われる。

フォールターンオーバーが対流層が徐々に深くなることで発生することが判った。表層温度が４℃になるとこの対流層が確実に最深層に到達するので、フォールターンオーバーの最大となる。
４℃の水が最も密度が大きいのは恐らく次のメカニズム。
１）水温低下と共に液体の水は運動エネルギーを失い、動きが小さくなってランダムだがエントロピーが減少する方向となる。
２）水の結晶構造は特異的に（恐らく酸素分子の高極性による排他的配置）で液体よりも低密度。
→おかげで氷は水に浮いてタイタニックにぶつかる。よりも海洋の底が氷にならなくてよかった。
４℃よりも低温になると水分子の分子間距離は結晶構造に近づきながらもまだ液体を維持。このあたり、はやりのクラスターかもね(笑)。

まとめ
フォールターンオーバーは４℃に囚われない。温度躍層を破ることが重要である。
温度躍層を破るメカニズムは温度勾配による対流、風、流れ込む水量も考えておいてよい。