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高校地学風成循環と表層流—風と海水の向きが一致しない理由を模式図で追う｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.13更新 2026.11.13武蔵野個別指導塾の特徴地学を掘り下げる大気と海洋

風向から水柱の正味輸送をたどり、海面傾斜と西岸強化につながる風成循環を読み解きます。

よくあるのは、海面を流れる水と、その下まで含む水柱の正味輸送を、高校生が同じ矢印で示すという場面です。風に押される海水は深さごとに同じ速さ、同じ向きで動くとは限りません。どの深さの流れを見ているかを明示すると、風、海面の傾き、大洋の循環を順に結び付けられます。

問いはどの矢印を求めているか

出題の1つは、半球と風向を与え、風が十分続いた理想化した海で水柱の正味輸送の方向を選ぶ型です。風が吹いていく向きを先に描き、その方向を向いて右か左かを判定します。風向の名前は風が吹いてくる方向なので、名前と矢印を取り違えないことが出発点です。

もう1つは、異なる緯度の風から海水の収束を見つけ、海面の盛り上がりと循環の関係を説明する型です。収束の矢印と、その後に海面の傾きに沿ってできる流れは、同じ量を表していません。図に時間の順序や力の向きを書き足すと、途中の飛躍を見つけられます。

さらに、西岸と東岸の流れの幅や速さの違いを問う資料もあります。大洋の西側という位置と、流れが西向きという方向は別です。海岸線の輪郭を暗記する前に、図の東西と流量の条件を読み取ります。

風が伝える力と深さごとの流れ

風は海面との摩擦を通じて、単位面積あたりの力である風応力を海水に及ぼします。海面付近の水が動くと、隣り合う深さの水の間にも摩擦による力が働き、運動が下へ伝わります。地球とともに回転する座標で見ると、動く水には転向力が働きます。北半球では運動の向きの右、南半球では左に働きます。

図1のように、風の矢印、海面付近の流れ、深さを積み重ねた正味輸送を別々に考えます。海面付近の流れは風からずれ、深くなるにつれて向きと速さも変わります。模式的なエクマンらせんはこの変化を表しますが、実際の海では波や成層、海岸、既存の流れなども影響します。

図1の正味輸送は、風が一定に長く吹き、十分深く広い海で、風による成分を深さ方向に積み重ねた理想モデルです。北半球では風の進行方向に対して右へ直角、南半球では左へ直角です。海面の流れ自体が風に対して常に直角という意味ではありません。正味輸送はある深さの流速ではなく、各層の輸送を向きも含めて合計した量です。

東向きを正、北向きを正とする成分で考えると、向きの異なる各層の寄与を別々に足せます。例えば東向き成分が打ち消し合えば、合計は北向き成分だけになることがあります。深い層にも水はありますが、ここで積み重ねるのは風による流れが効く層です。海底までの流れを無条件に一様とみなす規則ではありません。

この理想関係が使いにくい場面もあります。風が急に変わった直後、岸や海底が近い場所、赤道付近では、定常で十分深い海という前提や転向力の扱いをそのまま使えません。海面高度の傾きによる流れなども重なるため、観測された全流速に風向から得た直角の矢印を直接当てはめないようにします。

基本例題：風と水柱を描き分ける

北半球の広く深い海で、西から東へ一定の風が十分長く吹くとします。風による正味輸送を理想モデルで求め、東西南北の1語で答えてください。また海面の流れがその方向に必ず一致するか、理由を添えて答えてください。図2はこの問題の模式図です。

まず風が進む東を向きます。東向きの右は南ですから、図2の正味輸送は南向きです。海面の流れが必ず南向きとはいえません。正味輸送は、深さごとに向きも速さも違う風による流れを足し合わせた結果だからです。南を答えに戻し、東を向いて右手が南を指すことを確認します。

別の確かめ方では、紙の上を北、右を東にして、東向き矢印を時計回りに直角だけ回します。結果は南です。この操作は北半球の正味輸送という条件に対応します。南半球なら反時計回りに回し、逆の結果を得ます。海面の1点の矢印を回す操作ではありません。

標準例題：収束から循環へ

北半球の広い海で、南側の帯には西向きの風、北側の帯には東向きの風が十分長く吹くとします。どちらも理想的な正味輸送の規則が使えるものとします。2つの帯の間で海水が収束するか発散するかを答え、海面の変化とその後の循環を説明してください。

南側の風は西向きです。西を向いて右は北なので、正味輸送は北へ向かいます。北側の風は東向きです。東を向いて右は南なので、正味輸送は南へ向かいます。両側から間の領域へ向かうため、答えは収束です。反対に、南側から南へ、北側から北へ向かうなら発散です。向きを元の風に戻すと、それぞれ右に直角となり、判定が一致します。

水が集まると、他の出入りを無視した初期のモデルでは中央の海面が周囲より高くなります。高い側から低い側へ向かう圧力傾度力が生じ、水を動かします。動く水には転向力も働きます。十分時間がたち、大きな規模で摩擦が小さい部分では、圧力傾度力と転向力がおおむね釣り合い、流れは等しい海面高度を結ぶ線にほぼ沿います。

北半球では、この盛り上がりの周囲を時計回りに流れます。例えば盛り上がりの北側では、圧力傾度力は北向きです。東向きの流れに対する転向力は南向きなので、両者が向かい合います。他の側でも同様に確かめられます。風による収束が海面を傾け、その傾きに伴う圧力傾度力と転向力が循環に関わる、という順序です。

収束が続いても海面が無限に高くなるとは考えません。流れの変化、海底や側方への水の移動などが加わり、収支は変化します。上の説明は因果を取り出した模式図であり、実際の海流の全経路を示すものではありません。海面の高い場所から水が直接外向きに流れ続けるという答えは、転向力を落としていないか点検します。

発展例題：西岸の細い流れ

ある北半球の海盆の模式図で、内部の広い部分を南へ流れる水の輸送量が、練習用の単位で合計12とします。定常状態で他の境界からの出入りを無視し、西岸の流れがこれを戻します。西岸の流れの向きと輸送量を答え、幅が内部より狭いとき平均流速について何がいえるかを述べてください。同じ厚さの層を通るものとします。

流入と流出が釣り合うので、西岸では北向きに12を運びます。境界を横切る北向き輸送を正とすると、内部の寄与は-12、西岸の寄与は+12です。合計は-12 + 12 = 0となり、定常の条件に戻ります。どちらか一方の流れだけを見て、海盆に水がたまり続けると考えてはいけません。

輸送量は、流れに直角な断面積と、その面を通る平均流速の積です。同じ厚さなら断面積は幅に比例します。同じ輸送量を狭い幅で運ぶ西岸側は、平均流速の大きさが内部より大きくなります。例えば西岸の幅が内部の1/4という追加条件なら、断面積も1/4です。速さを4倍にすると、1/4・4 = 1となり輸送量が一致します。これは練習用の比であり、実際の比を示すものではありません。

大洋の西側に細く強い境界流が現れる性質を西岸強化といいます。単に海岸に水がぶつかるからと説明するのは不十分です。自転の効果が緯度によって変わることと、風に駆動された広い内部の流れが境界で折り返して収支を満たすことが関わります。詳細な力学を使わなくても、海盆内部の広い流れと西岸の狭い戻り流を区別すれば、模式図の幅と向きを読めます。ただし幅だけから実際の流量を決めることはできず、厚さや流速も必要です。

誤答から矢印を直す

図3の左は、北半球で北向きに吹く風と、同じ向きに描かれた正味輸送です。この答えは風が海水を動かすという入口は捉えていますが、深さごとの流れを合計した結果に転向の効果を入れていません。図3の右では、風の進行方向を向いて右に直角の東へ描き直しています。

図3の修正が成立するのは、北半球の十分深い広い海で、一定の風が続いた理想モデルという条件の下です。海面の漂流物が東へ動かなかったとしても、それだけで正味輸送の規則が誤りとはいえません。漂流物はほぼ海面の運動を示し、風の直接作用や波の影響も受けるからです。

もう1つの誤りは、収束する輸送の矢印をそのまま循環の矢印として回すことです。風による輸送が中央に水を集める過程と、傾いた海面に対応する流れを分けて描きます。矢印の脇に「輸送」「傾斜に伴う流れ」と書けば、何を比較しているかが残ります。

観測や模型でどこまで確かめられるか

海の複数の深さで流向と流速を同時に測り、風向と比べる計画を考えます。地点と時間をそろえ、風が安定していた期間、測定深度、海底までの深さも記録します。異なる時刻の測定を並べると、深さの違いと風の変化を区別できません。風成の成分を調べたいとき、潮汐など他の流れも観測値に重なることを考慮します。

各層の流速にその層の厚さを掛け、東西と南北に分けて合計すれば、単位幅あたりの輸送を近似できます。測れていない深さを無視すると合計が偏り、流向の読み取り誤差は成分の打ち消しにも影響します。層を細かく測れるほど鉛直変化を追いやすい一方、測定の不確かさや未測定層は残ります。海面の1点の観測だけでは、水柱の正味輸送を確定できません。

回転する水槽で風に見立てた力を与える模型も考えられます。比較する試行では水深、回転、水を押す条件をそろえ、変える条件を1つに絞ります。水槽の壁や底の摩擦、縮尺、風の与え方は大洋と異なるため、矢印の傾向の理解に使い、実海域の速さをそのまま推定しません。器具の扱いは学校の指導の下で行います。

練習問題

次の風と輸送は、いずれも赤道から離れた広く深い海で風が十分続く練習用モデルとします。方向は東西南北で答え、理由に風の進行方向と左右を含めてください。

南半球で南向きの風が吹くとき、正味輸送はどちら向きですか。
北半球で北向きの風が吹くとき、正味輸送はどちら向きですか。
南半球で西向きの風が吹くとき、正味輸送はどちら向きですか。
北半球で南側の帯に東向き、北側の帯に西向きの風が吹くとき、帯の間は収束と発散のどちらですか。両側の輸送方向を添えてください。
一定の厚さの層で、北向きの輸送量8を幅2の流れが運びます。同じ厚さで幅4の流れが同じ輸送量を運ぶとき、後者の平均流速は前者の何倍ですか。比で答え、輸送量に戻して確かめてください。数値は練習用です。

練習の答えと道筋

東向きです。南を向いた左が東です。東向きの矢印を南向きの風に戻すと、進行方向の左に直角となります。
東向きです。北を向いた右が東です。風を北へ描き直して右側を見れば、答えと一致します。海面そのものの流向を答えたわけではありません。
南向きです。西を向いた左が南です。西向きの風から反時計回りに直角だけ回しても南になり、同じ結果です。
発散です。南側の東向きの風に対して正味輸送は南、北側の西向きの風に対して正味輸送は北です。間から両側へ離れる向きになっています。それぞれの風を向いた右が答えの向きか確かめます。
1/2倍です。厚さをh、前者の平均流速をvとすると、輸送量は2・h・v = 8です。後者の平均流速をuとすると、4・h・u = 8です。両式の左辺を等しくすると、4・h・u = 2・h・vです。両辺を4・hで割ってu = v/2です。幅4にv/2を掛けた4・h・(v/2)は2・h・vであり、元の輸送量8に戻ります。