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高校地学湧昇と沈降—表層の発散と収束から鉛直方向の動きを判断する｜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

半球・風向・岸の位置から水平輸送を決め、水の収支を使って湧昇と沈降の向きを判断します。

よくあるのは、沿岸から沖へ海水が運ばれる図を見て、海面の水が減るだけで終わると考える場面です。海面が下がり続ける途中はありえますが、同じ状態が続くという条件なら、それだけでは収支が合いません。どこから水が補われるのか、岸と沖の位置を確認しながら表層の水の出入りを追ってみます。

要点（結論から）

北半球は風の右、南半球は左に表層水柱の正味輸送をとります。
岸から沖への輸送は、定常に近い条件で沿岸湧昇につながります。
岸への輸送は、他の出入りを無視すれば沈降につながります。

問題のどこを見るか

出題の型は大きく3つあります。1つ目は、海岸線と風向から表層水柱の正味輸送を決め、沿岸の湧昇か沈降を説明する問題です。2つ目は、赤道をはさんだ両半球の輸送を並べて、発散か収束かを判断する問題です。3つ目は、区切った領域の出入りの量から、下側を通る流れを求める問題です。いずれも風の矢印から直接、上向きの矢印を描くのではなく、途中の水平輸送を言葉にします。

答案を書く前に、北と南、岸と沖、風が吹いていく方向を図に記入します。風向は吹いてくる方向で呼ぶこともあるため、問題文が「北風」と書くなら南へ吹く矢印に直します。次に、北半球なら風に向かって右、南半球なら左という輸送の規則を、与えられた近似の範囲で使います。岸に向かうか岸から離れるかは、岸の位置を見て初めて決まります。

水が集まる場所と離れる場所

湧昇は下層の水が上向きに動いて表層側へ供給されること、沈降は表層側の水が下向きに動くことです。ここでいう下層は表層のすぐ下を含み、必ず海底から水が来るという意味ではありません。風による沿岸の湧昇と、高緯度で密度が増した水が沈んで広域を巡る深層循環は、原因と空間の広がりを分けて考えます。両者は海洋全体では関係しますが、沿岸で上向きの矢印を見ただけで深層循環の全経路は決まりません。

図1のように、岸を左、沖を右とした断面で表層の水が沖へ運ばれると、沿岸の表層から水が出ます。岸を通って水が入らず、海面の高さや表層の厚さがほぼ変わらないなら、下から入る水が不足分を補います。これが沿岸湧昇の模式図です。逆に沖から岸へ表層水が集まり、岸を越えて流出できない状態が続けば、下向きの流れが生じます。図1は模式図で、実際の流路のすべてを描いたものではありません。

水は消えたり突然生まれたりしません。この水の連続性を使うと、ある領域への流入と流出の差は、その領域にたまる水の量の変化に等しくなります。表層で流出が流入を上回る状態を水平発散、流入が流出を上回る状態を水平収束と呼びます。定常に近く、横方向のほかの流れを無視できるモデルなら、発散には下からの流入、収束には下への流出が対応します。海面が変化する過渡期には、水位の低下や上昇も収支に加えます。

図1の上向きの流れは、風が水を直接上へ引っ張るという説明ではありません。風が海面に力を及ぼし、地球の自転による転向と海水内の力の伝達を通じて、表層の水柱に正味の水平輸送が生じます。その輸送が場所によって異なり、水の出入りに差ができるため、鉛直方向の動きが必要になります。風向と鉛直流の間にある収支を抜かないことが、条件を変えた問題にも通用する考え方です。

北半球では、十分に広い海で一定の風が続くなどの単純な条件のもと、風による表層水柱の正味輸送は風の進行方向の右側です。南半球では左側です。これは深さごとの流速を積み合わせた輸送の向きであり、海面の一点の流れが必ず風と直角になるという意味ではありません。岸の形、風の変化、他の流れや水位の変化が大きい場合、単純な規則だけでは実際の流れを確定できません。

湧昇する水は周囲の表層水より冷たく、栄養塩を多く含むことがあります。ただし水温の低下だけで湧昇の存在を断定することはできません。冷却や水平移流、混合でも水温は変わるからです。温度の変化と上向きの輸送は同時に現れうる現象ですが、同じ意味ではありません。

基本例題：北半球の西岸に沿う風

練習用の模式海岸を考えます。北半球で、陸は西、海は東にあり、まっすぐな南北方向の岸に沿って風が北から南へ吹き続けます。沿岸の表層水柱の正味輸送は風向の右向きとします。岸を越える水の移動、岸に沿った出入り、表層の貯留量の変化を無視します。沿岸付近の鉛直流の向きと理由を、輸送と収支の語を使って答えてください。

図2のように、まず地図を上から見た平面で北を上に置きます。風は南向きです。南を向いた人の右は西なので、表層水柱の正味輸送は西向き、つまり海から岸に向かいます。水が岸に集まりますが、岸を通って陸側には流出できません。条件では別方向への流出も貯留も無視するので、表層に入った水は下側へ出ます。したがって答えは沈降です。

収支を式にして確認します。表層の領域について、Iを沖側からの流入量、Dを下側への流出量、ΔVを貯留量の変化とします。いずれも同じ時間内の水の体積で、単位はm³です。岸と沿岸方向の出入りは0です。

貯留量の変化 = 流入量 - 流出量
ΔV = I - D
0 = I - D
D = I

最後の式は、沖から入った分と同量が下へ出ることを意味します。例えば練習用条件としてIが8 m³なら、Dも8 m³です。8 m³を入れて8 m³を出すと差は0 m³に戻り、貯留量が変わらない条件と一致します。実際には水位や沿岸方向の流れも変わりうるため、この等式は与えられた条件の下で用います。

条件を変える標準例題

今度は南半球で、陸が東、海が西にある南北方向の岸を考えます。風は南から北へ、岸に沿って吹き続けます。表層水柱の正味輸送は風の進行方向の左側とします。海面の変化や沿岸方向の出入りは無視します。沿岸の鉛直流の向きを答え、風向から順に説明してください。

北向きに進むと左は西です。海は西にあるので、正味輸送は岸から沖へ向かいます。岸側から水が補給されない一方で、表層の水は沖へ出ます。貯留量が変わらないという条件を満たすには、下から水が入る必要があります。よって沿岸では湧昇です。風が北向きという情報だけで決めず、南半球で左へ曲げた後、岸と沖を確かめます。

別解として、岸の近くの表層を箱とみなし、沖側から出る矢印を先に描きます。岸側の矢印は0、箱の中の水は増減しないので、残る下側の矢印は箱に入る向きです。この箱の方法は輸送の向きが与えられた場合にも使えます。ただし、沿岸方向から大量の水が入る場合には、その流入を箱の収支に追加する必要があります。

風が逆に南向きになれば、同じ南半球の規則で正味輸送は東向きとなり、この岸では収束と沈降の条件になります。風が反転すれば常に直ちに十分な沈降が完成するとまでは言えません。水位や流れが変化する時間があり、他の流れも重なるからです。

発展例題：赤道をはさむ発散

赤道付近の広い海で、練習用モデルとして東から西へ一様な風が吹くとします。赤道の北側では表層水柱の正味輸送は風の右、南側では左とします。赤道を中心にとった表層の帯について、南北以外の出入りと貯留量の変化を無視します。北側と南側の輸送方向をそれぞれ示し、帯の下側の流れを説明してください。

西向きの風に向かって右は北、左は南です。北半球側の水は北へ、南半球側の水は南へ向かい、赤道付近から両側へ離れます。表層の帯は水平発散となります。両側へ出た水を補うため、条件のもとでは下から表層へ水が上がります。したがって赤道付近に湧昇が生じます。

ここで右・左の規則を適用しているのは赤道そのものではなく、その北側と南側です。赤道上では転向の効果が0となるため、両半球の通常の近似式をそのまま代入して量を計算することはできません。向きの模式図は、赤道をはさんで両側の輸送が離れることを説明するために使います。

帯の中から北へ6 m³、南へ4 m³が同じ時間に出る場合を考えます。この2つは練習用の量で、実際の観測値ではありません。Bを下から帯に入る量とすると、貯留量が変わらないため次のようになります。

0 = B - 6 m³ - 4 m³
B = 6 m³ + 4 m³
B = 10 m³

下から10 m³入ると、北と南への流出は合計10 m³で、収支の差は0 m³です。両側の輸送量が等しい必要はありません。向きが互いに離れていれば発散であり、量を足して下からの補給を求めます。逆に、風が西から東へ吹き、両側が赤道に向かって輸送する同じモデルなら、表層は収束して下向きの流れに対応します。

逆向きの矢印を直す

図3のように「北半球で南向きの風だから、輸送は東向きで湧昇」とした答案を考えます。図2と同じく岸は西、海は東です。誤りは、紙の上で右側に見える東を、南を向いたときの右と取り違えた点です。南を向けば右は西であり、この岸では水が集まるので沈降です。

直すときは、指や鉛筆を風の進行方向に向けてから右か左を決め、結果を方位で書き直します。その後に岸へ近づくか遠ざかるかを確かめます。「右だから沖」と覚えると、海岸が反対側にある問題で失敗します。半球、風、岸の3条件を毎回そろえて初めて判定できます。

もう1つの誤答は「発散だから海面が必ず一定のまま下層から同量が上がる」です。短い時間には海面が下がることもあり、下からの供給が流出と等しいとは限りません。貯留量の変化を式の左辺に残し、0と置いてよい条件を確認します。表層から12 m³出て下から9 m³入るなら、他の出入りを無視した貯留量の変化は9 − 12 = -3 m³です。失われた3 m³は、この時間中の貯留量の減少に対応します。

「水温が低いから必ず湧昇」とする答案も修正が必要です。風と水平輸送の分布、深さごとの水温などを併せて調べれば説明を絞れますが、冷たい水の水平移動や海面での冷却なども候補に残ります。1つの資料が示す事実と、それを説明する候補を分けて書きます。

観測の組み立てと資料の読み取り

沿岸湧昇の可能性を調べるなら、岸から沖への同じ断面上で、異なる深さの水温と流れを繰り返し測る設計を考えます。風向も同じ時間帯に記録し、測点の深さと岸からの距離をそろえます。比較する時刻や深さが違うと、時間変化や深さによる差を、岸からの距離の効果と取り違えるからです。観測は学校の指導の下で、安全な方法で行います。

水温の測定には器具の誤差があり、測定位置も波や流れでずれます。誤差の範囲が観測された差と同程度なら、小さな差の符号を強く主張できません。深さの異なる測定値を比較するときは、同じ深度を測れているかも確認します。風の資料は瞬間の値だけでなく、海が応答するまでの変化を考慮して読みます。

断面の水温グラフでは、横軸が岸からの距離、縦軸が深さなのか水温なのかを最初に確認します。下層の冷たい水を示す等温線が岸に向かって浅くなる形は湧昇と整合します。ただし、それだけで鉛直流量は求まりません。風や流速の資料、時間変化を加え、水平移流など別の説明も検討します。模式図の矢印は流れの向きを示すもので、その長さが量に比例すると指定されていなければ、長さの比較から流量を計算しません。

練習：5つの状況を区別する

次の各問は独立した練習用モデルです。表層の貯留量は変化せず、問題文に示さない横方向の出入りは無視します。表層水柱の正味輸送は北半球で風の右、南半球で風の左とします。体積は同じ時間内の値です。

北半球で陸が東、海が西にあり、風が北から南へ吹きます。正味輸送の方位と、沿岸の湧昇・沈降のいずれかを答え、岸との位置関係を説明してください。
南半球で陸が西、海が東にあり、風が南から北へ吹きます。正味輸送の方位と沿岸の鉛直流の向きを答えてください。
表層の箱へ沖から15 m³が入り、岸を越える流れはありません。箱の下側から出る体積を整数で答え、流入と流出の合計を照合してください。
赤道付近で東向きの風が吹きます。北側と南側の正味輸送が赤道に近づくか離れるかを答え、表層の収束・発散と鉛直流を説明してください。
ある時間に表層の箱から沖へ14 m³が出て、下から11 m³が入ります。他の出入りはありません。貯留量の変化を符号付きの整数で答え、定常状態かも判断してください。この問では貯留量の変化を許します。

練習の答えと確かめ

南向きの右は西なので、正味輸送は西向きです。海は西にあるため、岸から沖へ離れます。表層の発散を補う下層から上向きの流入が必要なので、湧昇です。風向を逆からたどり、南向きに立った右が西であることを確かめます。
北向きの左は西なので、正味輸送は西向きです。西側に岸があるため、表層水は岸へ集まります。岸を越えず貯留量も変わらない条件から、水は下へ出て沈降します。岸の位置が問1と逆なので、同じ西向きの輸送でも鉛直流は逆になります。
下側から出る体積をD m³とすると、0 = 15 − Dです。よってD = 15 m³です。流入15 m³と流出15 m³を差し引くと0 m³となり、貯留量が一定という条件に戻ります。
東向きの風の右は南、左は北です。北側の輸送は南向き、南側は北向きで、どちらも赤道へ近づきます。帯の表層では収束し、貯留がなければ集まる水は下へ出ます。したがって鉛直流は沈降です。赤道上に右左の近似を直接適用しているわけではありません。
貯留量の変化は流入から流出を引き、11 − 14 = -3 m³です。元の収支に戻すと、11 m³の流入に対して14 m³が出るため、箱内の水は3 m³減ります。貯留量が変化するので、この時間の状態は定常ではありません。上向きの補給はあるものの、沖への流出を完全には埋めていません。

要点を手元に残す

北半球は風の右、南半球は左に表層水柱の正味輸送をとります。
岸から沖への輸送は、定常に近い条件で沿岸湧昇につながります。
岸への輸送は、他の出入りを無視すれば沈降につながります。
表層の発散と収束は、貯留量の変化も含む水の収支で読みます。
赤道の両側で輸送が離れると、下からの補給が必要です。

答案のつまずきを見分ける

個別に確かめるときは、まず風の矢印の横に「北半球の右」または「南半球の左」と書けているかを見ます。次に、その向きを東西南北に直し、岸と沖のどちらかを答えられるかを確かめます。ここで間違っていれば、湧昇と沈降の用語だけ覚え直しても同じ誤りが残ります。

向きが正しいのに鉛直流が逆なら、表層の箱に入る水と出る水を別々に描きます。最後に「貯留量の変化 = 流入 − 流出」を書き、0と置ける条件を答案に添えます。赤道では北側と南側の矢印を別に描くと、両者が離れるのか集まるのかを確認できます。海水の行き先を一段ずつたどれば、湧昇と沈降の判断は条件に結び付きます。