保坂 直紀 (2015) 謎解き 津波と波浪の物理

  • 保坂 直紀, 2015: 謎解き 津波と波浪の物理 — 波長と水深のふしぎな関係 (ブルーバックス B1924)。講談社, 222 pp. ISBN 978-4-06-257924-7.

2015年7月に出た本。わたしは出てすぐに買って、なにが話題かだけは見たのだが、とおして読むのは2018年8月になってしまった。

同じシリーズで2003年に出た謎解き・海洋と大気の物理 [読書ノート]の著者による、海洋の物理ではあるのだがその本には書ききれなかった話題についての解説書だ。

あとがきによれば、著者は新聞記者として2011年の津波を報道したときに、津波の科学について本を書きたいと思ったが、新聞社にいるあいだはその時間をとれなかった。2013年に新聞社を退職し、東京大学の海洋アライアンスで仕事をしながら本書を書いた。(2018年 現在はそこも離れている。)

本書は、水面にできる波について、風によっておこされる波と、地震によっておこされる津波の両方にわたって、解説している。

本書の図には、著者がつくった動画がある。まえがきにあるURLではなく、http://bluebacks.kodansha.co.jp/books/9784062579247/appendix/にある。

本書は大きく4章にわかれている。第1章では、風による波と津波がどんなものか概説している。第2章の前半では、音波なども含めた波動現象に共通のとらえかたを紹介している。後半では、水面の波がどのようなしくみで波となっているか、そして、その理屈を考えるために使われる単純化を紹介している。第3章の前半では、水面の波を、波長と水深との関係によって大きく分類する。後半では、そのうちの「深水波」という類として、風による波の特徴を説明する。第4章では、もうひとつの「長波」という類として、津波の特徴を説明する。ただし、第4章の終わりのあたりでは、海岸に近づくと、風による波も津波も特徴が変化することについて述べている。

話題の順序は、著者が予備知識をもたない読者を想定してくふうしたのだと思うが、ここでは、わたしが重要だと思う論点を、わたしにとってわかりやすい順序にならべかえて紹介する。

波動現象をあつかう場合は、波がいろいろな波長の成分からなっているとき、波のふるまいはそれぞれの成分が独立して動く結果のたしざんで表現できると考えることがおおい。本書の大部分の議論ではこれを仮定しており、この仮定がなりたたない状況が出てくるところはそのことを注意している。波の振幅が微小ならばこの かさねあわせの仮定が使えるが、振幅が大きくなるとはずれてくるのだ。

また、水面の波をあつかう際には、摩擦がない、また、水がちぢまない(密度が変わらない)という仮定をおく。

水面の波の復元力としては、重力と表面張力がある。波長が cm程度 (ある理論によれば 1.7 cm)よりも短い場合には表面張力が主、長い場合には重力が主となる。表面張力を復元力とする波は波長が短いほど速く伝わるので、「ほぼ止まっている波」は見られない。本書であつかう波のほとんどは重力を復元力とする波だ。

波動現象では、波は伝わっていくが、媒質の各部分は「その場で」行ったり来たりするだけだ。媒質の各部分の運動が波のつたわるのと同じ方向の場合が「縦波」で、それと直交する方向の場合が「横波」だ。音波は縦波だ。水面の波は単純な縦波でも横波でもなく、水の各部分は、波の進行方向と、それに直交する鉛直方向との面内で円あるいは楕円の運動をする。

波長が水深にくらべてじゅうぶん短い(2倍以下の)場合が「深水波」で、水面の波は海底を「感じない」とみなせる。波長が水深にくらべてじゅうぶん長い(25倍以上の)場合が「長波」で、水の各部分の動きは、深さによらず、進行方向の前後の往復運動となる。中間が「浅水波」だ。このうちでは浅水波の方程式がいちばん一般的だが、ときにくい。【わたしは、浅水波の式のまま数値計算をすることを学んだ。本書第2章の終わりでいう「天気予報が採用している戦略」だ。その反面、深水波や長波については初歩を学んだだけで、本書で述べられている特徴を理解しないうちに離れてしまっていた。】

風による波は、風がふいているところでつくられつつある「風波」[かぜなみ、かざなみ、ふうは]と、そこからひろがっていく「うねり」とがある。

そのうちでは波長が長い うねり でも、波長は100 mのけたなので、沿岸以外では深水波とみてよい。深水波の速さ(波の峰や谷がそれぞれ伝わる速さ、専門用語では「位相速度」)は、波長によってちがい、波長が長いほうが速い。そこで、複数の波長の成分からなる波の群れの形は伝わるにつれて変わっていく。この性質を「分散性がある」という。波の群れの振幅が大きい部分が伝わっていく速さ(「群速度」)は、位相速度とちがう。深水波の場合は、群速度は位相速度の半分だ。

海岸に近づくと、水深が浅いので、うねりは深水波でなくなり、次に述べる長波と同様に、水深が浅いほど遅く伝わる。したがって、波は屈折する。まっすぐな海岸で波が正面から押し寄せてくるのも、岬の突端で波高が高くなりやすいのも、その結果だ。

また、微小振幅が成り立たなくなり、波にともなって水が正味で移動するので、それの帰りである「離岸流」という流れが生じる。海水浴場での事故の原因になりやすい現象だ。

なお、天気予報でいう「波の高さ」は、専門用語では「有義波高」といい、一定時間【たとえば20分間】にくる波の高さの統計をとって、上位3分の1の平均をさしている。これは波の観測に慣れている人の感覚にあわせたものだ。波全部の平均値よりは大きいが、最高値よりは小さいことに注意しよう。

津波は、地震にともなって海底が急に変形し、それにともなって海面が押し上げられることによって起こる。変形の空間スケールは 100 km程度で、水深よりも大きい。それによって起こる波は、長波となる。水は海面から海底までいっせいに前後に動く。長波の速さは、水深と重力加速度の積の平方根であり、波長によらない (分散性がない)。

海岸に近づくと、水深がしだいに浅くなるので、ひとまず長波と微小振幅の仮定のもとで考えると、波長が短くなり、振幅が大きくなる。津波の波高は外洋よりも沿岸で高くなるのだ。そして、波高が水深に対して無視できず、微小振幅でなくなる。その結果、波の形は、前面が切りたったものになる。

津波が海岸に達したときに起きる現象として、湾の固有振動との共振、「エッジ波」、「ソリトン」なども紹介されている。

折り返しのあとにくわしい目次をつける。

== 目次 ==
まえがき
もくじ
第1章 波、それは風の便り — 波の誕生
– 1-1 はじまりはさざ波から
– – 風の申し子
– – 生まれたての波はどんな姿をしている?
– – 水面を動かすふたつの力とは?
– 1-2 「波浪」と「津波」
– – 「風波」と「うねり」 — 「波浪」とはなにか
– – では、「津波」とは?
– 1-3 どう生まれ、どう育つか
– – 風が吹くと波ができるのはなぜ?
– – 波を発達させる三要素
– – じゅうぶんに発達した波、成熟した波 — 波はどこまで成長するか?
– – 波にも年齢がある?
– – 波を成長させられない風とは?
– 1-4 「波の科学」の基本的な考え方
– – 複雑な波を「分けて」考える
– – “底” を感じるかどうか、それが問題だ
第2章 波とはなにか — 複雑な現象をシンプルに理解する
– 2-1 「波」の基本を押さえる
– – 「水面」について考えてみる
– – 観客席に現れる波
– – なにが「伝わる」のか
– – 音波を例に「伝わるパターン」を考えてみる
– – 波を理解するキーワード — 「振動数」と「振幅」
– – 波の個性は「重なり」が決める
– – “独立独歩” が波の生きざま
– – 標準コースの逆順で「波」を考える
– – あらためて、波とは?
– – 津波はなぜ、海全体が盛り上がって見えるのか
– – 三つの量の相互関係は?
– 2-2 「水面の波」はなぜ伝わるか
– – 波はなぜ、隣に伝わるのか
– – 重力が発揮する「復元力」とは?
– – 波をつくりだす復元力も多士済々
– 2-3 複雑な海の波をどう攻略するか
– – 海の波が複雑な理由
– – ふたつの作戦
– – 波を単純化してもかまわない理由
– – 天気予報が採用している戦略とは?
– – 許される仮定、許されない仮定
– – 「大胆かつ重要な仮定」のマジック
第3章 風が起こす波 — 風波のふしぎな世界
– 3-1 「水の動き」を分解する
– – 波の下の水は「自転車の車輪」!?
– – 科学を理解しやすくするコツ
– – 「波の動き」と「波の下の水の動き」を区別する
– – 力が加えられた物体はどうなる?
– – 水の真上は山か谷か
– – 「速さ」で見ると?
– – 上下の動きも考慮すると…?
– – 縦波でも横波でもなく
– – 波がもつ、ふたつのエネルギー
– 3-2 波と水深の「深い関係」 — そこに「底」はあるか?
– – 水が描く円の大きさを考える
– – 何を基準に「深い/浅い」は決まるのか
– – ものさしは「波長の半分」
– – 海底を感じる波 — 動きたくても動けない!
– – 海底をそこそこ感じている波
– 3-3 速い波、遅い波 — そして波は止まれない
– – 波の速さはなにが決める?
– – 波は “自分” を見失わない
– – マジックナンバー「1.7」
– – 「ほとんど止まりそうな波」はなぜ存在しないか
– – 分散性をもつ波、もたない波
– – 分散性と独立性の深い関係
– 3-4 「波の群れ」には謎がいっぱい
– – 群れた波は伝わる速さが変わる!?
– – 「群れ」から消えるシマウマ!?
– – 「群れ」に加わるシマウマ!
– – 謎解きのカギは「振幅」が握っている
– – お寺の鐘の「余韻」に注目せよ
– – 群速度 = 「エネルギーが伝わる速さ」
– – 実測された群速度 — ハワイに届く南極からの便り
– 3-5 波の最期 — 砕けて終えるその生涯
– – 波の高さが「微小」といえなくなると…?
– – 海岸で危険な流れが生じる理由
– – 離岸流に巻き込まれたら
– – 「波が砕ける」とは?
– – 波の人生、最期もいろいろ
– 3-6 静かな海にも大きな波が!
– – 規則性を探せ
– – 「天気予報の波」は実在しない!?
– – 「波の高さは2メートル」とは?
– – 「おだやかな海」にも油断は禁物
第4章 津波の物理学 — 「海底を感じる」長波のふしぎ
– 4-1 三陸を襲った巨大津波の謎
– – 本来は「ゆるやかな盛り上がり」なのだが
– – 3分間の悲劇
– – 津波はどのようにして生まれるのか
– – ゆで卵の殻に “ずれ” が生じて
– – なぜふたつの津波が重なったのか?
– – 過去にも同じ震源域で
– 4-2 津波を科学する考え方
– – 津波の高さ、どう測る?
– – 基準点は?
– – どこまで到達したか
– – 二段階に分けて分析する
– – 「大きさ」がない水の「広がり」を考える
– – 津波が起こるための必須条件
– 4-3 「海底を強く感じる波」ならではの現象
– – 注目点は「水の動き」
– – 津波の恐ろしさに直結する長波の性質
– – 「極端なケース」を想定する理由
– – 津波は深い海ほど速く進む
– – なぜ水深が重要なのか
– – なぜ重力が関係するか
– – 津波に分散性がないということ
– – 津波の速さを計算してみよう
– – 「8分」の正体 — 逃げられる水、逃げられない水
– 4-4 津波はなぜ「水の壁」へと変貌するのか
– – 岸に近づくと急変する
– – 気象庁の予測方法
– – 津波はいきなり水位の高い部分から到達する
– 4-5 「海底を感じる波」の奇妙なふるまい
– – 「海底を感じた波」は動く方向を変える!?
– – 「長波」に変身する「深水波」
– – 岸に近づいた波はノロノロ運転のクルマ!?
– – 波はなぜ、正面から押し寄せるのか?
– – 「岬の突端に荒波」の理由
– – 津波とうねりは「底の感じ方」が違う
– – 反射波の存在も無視できない
– – 津波を増幅する「共振現象」
– – 津波はなぜ、次々とやってくるのか?
– – じつは「長波」ではない!?
– – 津波がつくりだす「新たな波」
– – 個性を曲げない「孤立した波」
– – 分裂するソリトン
– – まだいる「波の仲間たち」
あとがき
さくいん

2 thoughts on “保坂 直紀 (2015) 謎解き 津波と波浪の物理

  1. 陸地を震源とする地震では、断層が地表に現れるのは、ゆれが起きた後に、ゆっくりと現れると目撃されています。つまり、海底が急激に跳ね上がって、海水を揺さぶるような現象は地震では起きないのです。

    では何が津波を起こすかといえば、海中での放電現象です。311も、最近あったインドネシアの津波も、振動の波形が似ています。海水は誘電体で電気を溜める性質があります。水中での放電は、たくさん実験されていて、波形も知られています。海底に震源があっても津波が起きなかったりするのは、海中で放電していないからです。

    1. 地震の震源のま上の海底が直接観測されていることはまれですが、震源断層が海底に出ていてそこで不連続な変位がおきてその上の海水に津波を起こすことはじゅうぶんありうることです。断層が海底に達しておらず海底で起こることは連続的な変形でも、水平数kmのうちに隆起するところとしないところがあれば津波のもとになりうるでしょう。なお、津波の原因には、海底の地震のほかに、(海岸にかぎられると思いますが) 上からものが落ちてくることもあります。
      地震の震源断層では岩石が割れたり岩石の割れ目で磨耗のようなことがおこるでしょうから、いくらかの電磁場の変動はおきるでしょう。しかし電磁場の変動は地震の主役ではないし津波の原因の主役ではありません。

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