地球上の水の存在量と移動量

地球上の水はどのような形でどれだけあるか

地球上の水 (3相を含めたH₂O) が、質量としてどこにどれだけあるかを 図1 に示す。 水の質量 約 1.4×10²¹（10の21乗）kg の95%以上が海洋にある。 それにつぐ量をもつ部分は、陸上の氷河 (そのうち大きいものを大陸氷床といい、南極大陸とグリーンランドにある)と、地下水であり、 それぞれ 約 2×10¹⁹（10の19乗）kg である。 この2つの量の見積もりの精度はあまり高くない (図1の下の注釈を見よ)。

地表水のうちでは、湖沼がわりあい大きい。

河川水や大気中の水蒸気はつねに動いているが、瞬間ごとの存在量を評価することができる。 河川水と大気中の水蒸気は、水のたまりの量としてみれば、地球上の水のうちわずかな割合をしめるだけである。 しかし、つぎにみる水の循環にとっては重要である。

[図1] 地球上の水の存在量(箱)と移動量(矢印)

単位は、存在量は 10¹⁵ kg、移動量は 10¹⁵ kg / 年。

出典

• Taikan Oki [沖 大幹], 1999: The global water cycle. Global Energy and Water Cycles (K. A. Browning & R. J. Gurney 編, Cambridge University Press) 2章。

用語の日本語訳は増田による仮のもの。

数量の精度についての注

• 「地下水」と「永久凍土(の氷)」の数量は不確かである。 他の文献と大まかに見比べたところでは、有効数字1桁もあやしい。
• 「氷河と積雪」のところは、見かけ上有効数字5桁の数値が書いてあるが、 これは桁のちがう大陸氷床・山岳氷河・季節的積雪を合計した結果をそのまま書いたにすぎず、 実際の有効数字は1桁か2桁しかない。

水の循環

図1 の水の移動量に注目しよう。 大気中の水蒸気の一部分が、相変化して、液体の水滴や固体の氷の結晶からなる雲ができる。 雲の粒子が併合して大きくなり、雨や雪として落下する。 雨や雪をあわせて降水という。 「降水量」は、雨や雪が、ある指定された時間の期間に、地表面に降って、しみこまずに液体の水としてたまったと仮定したときの水の深さとされ、単位 mm で示されることが多い。 しかし、水の循環を考えるうえでは、地表面の単位面積あたりの水の質量の流れと考えたほうがよい。 水の密度がよい近似で1000 kg/m³ なので、降水量 1 mm はちょうど 1 kg/m² にあたる。

• (用語補足) 降水量、なんミリ?

降水量の値は、緯度、海との位置関係、季節によって大きく異なるけれども、世界全体の平均は概算で 1000 mm/年 つまり1000 kg/ (m²・年) である。 降水によって失われる大気中の水蒸気は、海と陸からの蒸発によって補われる。 地球全体の降水量と蒸発量は、よい近似で、つりあっている。 つまり、世界平均の蒸発量も約1000 mm/年 である。 陸から海へ、おもに河川による水の質量の移動がある。 陸上では降水量のほうが蒸発量よりも多く、海上では蒸発量のほうが降水量よりも多い。 大気の運動 (風) による水蒸気の流れは、陸から海の向きのこともその反対のこともあるけれども、 正味では海から陸に向かっている。 このようにして、近似的に定常的な水の循環が成り立っている。

図1 では大気中の水蒸気を陸上と海上にわけてしめしているが、 両者あわせて平均すると、単位面積あたりの水蒸気の質量は、約 25 kg/m²である。 液体の水に換算すると 約 25 mm の層 にあたる。 もし、降水で落ちて蒸発でおぎなわれなかったら、水蒸気は 約 9 日でなくなる。 実際にはおぎなわれて準定常状態にある。 蒸発によって大気に加わった水蒸気が降水によって出ていくまでの時間はまちまちだが、 その平均は約 9 日、つまり「水蒸気の大気中の平均滞在時間は約 9 日」ということができる。

ここから 図1 の出典と注釈 (専門的なので「地学」受講生は気にしなくてかまいません)

図1 に示された情報の源

• 移動量は、
  • ドイツにあるGlobal Runoff Data Centreなどが集めた河川流量観測値、
  • イギリスにある国際機関European Centre for Medium-range Weather Forecastsの気象現業データ同化 によってつくられた格子点気象データから沖氏が集計した水蒸気収束量、
  • アメリカ合衆国Climate Prediction CenterのXie氏たちが編集した CMAPというデータセットの降水量
  を組み合わせて沖氏がまとめたものである。
• 存在量は主として次の文献によっている:
  • V. I. Korzun ほか編, 1974(ロシア語), 1978(英語): World Water Balance and Water Resources of the Earth, UNESCO.

ほぼ同じ図を含む別の文献

• 沖 大幹, 1995: グローバルな水循環, 水利科学, 39, (225号), 1 - 35.
• T. Oki, D. Entekhabi & T. I. Harrold, 2004: The global water cycle. The State of the Planet (R. S. J. Sparks & C. J. Hawkesworth eds., American Geophysical Union, Geophysical Monograph 150), 225 - 237.
• T. Oki & S. Kanae, 2006: Global hydrologic cycle and world water resources. Science, 313, 1068 - 1072. (東京大学の沖研究室のウェブサイト http://hydro.iis.u-tokyo.ac.jp に電子ファイルがある。)
• 沖 大幹, 鼎 信次郎, 2007: 地球表層の水循環・水収支と世界の淡水資源の現状および今世紀の展望。 地学雑誌, 116: 31-42. doi: 10.5026/jgeography.116.31 (PDF形式で無料公開されている。)

ただし、Oki and Kanae (2006)、沖・鼎 (2007)では新しい研究に基づいて数値が変更されている。 (増田は、Oki and Kanae 2006が採用した陸上降水量がやや過大だと考えているので、 Oki 1999のほうの数値を教材に採用している。)