高校地学 エルニーニョとラニーニャ—風と躍層と海面水温の連鎖を断面で説明する｜武蔵野個別指導塾

赤道太平洋の東西断面で躍層の変化を読み、同じ地点の平年差と東西の水温差を区別します。

よくあるのは、高校生が貿易風が弱まると赤道太平洋東部の湧昇も強まると説明する場面です。風と海水の動きが結び付いていることは捉えていますが、強弱の向きが逆です。東西の断面に通常時の暖水と躍層を描き、そこから風を弱めると何が変わるかを順に追うと、答えの根拠を示せます。海面水温の変化が大気へ返る道筋まで考えます。

断面と時間の資料で問われること

問題の出方は大きく3つあります。1つ目は、通常時と風が弱まった時の断面を比べ、東部の躍層の深さや湧昇の強さを判定する型です。東を右に置いた図なら、躍層が下がるとは線が紙の下へ動くことです。海面からの深さが増えるという意味も添えます。

2つ目は、東部と西部の水温の差や平年との差を表で読み、どの状態に対応するか説明する型です。東部が西部より冷たいことと、東部が平年より低温であることは別の比較です。後者には同じ場所の基準値が必要です。差の符号と比較相手を答案に書くと取り違えを防げます。

3つ目は、風、海、対流活動の変化を矢印でつなぐ型です。変化が互いに強め合うことと、最初の原因が一意に決まることは同じではありません。ここでは赤道太平洋の典型的な連鎖を扱い、発生の判定基準や日本の天気を数値や一つの結果に固定しません。

通常の断面を基準にする

赤道太平洋の下層には、通常、東から西へ吹く貿易風があります。風は海面に力を及ぼし、暖かい表層水を西へ寄せます。西部には厚い暖水層があり、東部では比較的冷たい水が下から上がります。この湧昇は、表層水が赤道の両側へ運ばれ、下から水が補われる動きと関係します。海水が消えるわけではありません。

図1のように、水温躍層は水温が深さとともに大きく変わる層です。模式図の線はその位置を代表させたもので、厚みのない壁ではありません。通常の東西断面では西で深く、東で浅い形を考えます。東部で冷たい水が表層に届きやすいことと、東部の海面が西部より相対的に冷たいことを結び付けます。

図1の風の矢印は東から西です。暖水層の厚さ、躍層の深さ、上向きの湧昇の矢印を別々に見ます。実際の海では深さも水温も時間と場所で連続的に変わるので、線の形は概念を示すものです。

貿易風が通常より弱まると、暖水を西へ寄せる働きが弱まり、暖水が東へ広がります。東部の躍層は通常より深くなり、冷たい水が表層へ届く効果は弱まります。東部から中部の海面水温は平年より高くなりやすく、これがエルニーニョ時の典型的な海洋の変化です。湧昇が完全に止まるとか、海全体が一様に暖まるとかは決められません。

逆に貿易風が通常より強い場合は暖水が西に寄りやすく、東部の躍層は浅くなり、冷水の影響が表層に及びやすくなります。東部から中部の海面水温が平年より低くなるラニーニャ時の典型像です。強弱は通常の状態との比較であり、東風が弱まった場合にも風向自体は東風のままの場合があります。

海面水温が高い場所では、大気へ熱や水蒸気が供給され、上昇と雲の発達が起こりやすくなります。通常は西部寄りの活発な対流域が、東部から中部の昇温に伴って東へ広がる傾向があります。それに伴う大気循環の変化は東西の気圧差と下層の風にも影響し、もとの東風の弱まりを強める方向に働くことがあります。風が海を変え、その海が風に影響するという相互作用です。

この正のフィードバックは、変化を増幅する一つの道筋を示します。無限に増え続けるという意味ではありません。海の内部の水の再配分など、状態を変える別の過程もあるため、矢印の輪だけで始まりや終わりを予言することはできません。同じ時に起きた2つの変化を見ただけで、どちらが最初の原因かを決めることもできません。

基本例題：東部の深さを比較する

次は観測値ではなく練習用モデルです。海面を深さ0 m、下向きを正とします。通常時の東部の躍層を深さ60 m、貿易風が弱まった後を90 mとします。図2を見て深さの変化をmで求め、冷水の表層への影響を「躍層」「湧昇」を使って説明してください。計算結果は整数で示します。

図2の上下は深さの方向です。変化量は後の深さから通常時の深さを引きます。記号Δdを深さの変化、d後とd前をそれぞれ変化後と通常時の深さとすると、次のようになります。

Δd = d後 - d前
Δd = 90 m - 60 m
Δd = 30 m

答えは30 m深くなる、です。正の値は下向きを正にとった条件で深くなったことを表します。躍層が深くなると冷水は海面から遠くなり、湧昇による冷水の表層への影響は弱まりやすくなります。元の条件へ戻すと60 mに30 mを加えて90 mとなり、図の後の線と一致します。

別の読み方では、後の深さ90 mが前の60 mより大きいと先に比べ、その差30 mを深くなった量とします。差を取る順序を逆にしても、符号の意味を明示すれば同じ物理的変化を表せます。ただし、躍層の深さだけから湧昇量の数値までは求められません。水温や流速の条件が必要です。

標準例題：平年差と東西差を分ける

練習用の架空の月平均水温を使います。平年は西部28.0 ℃、東部24.0 ℃、ある月は西部27.0 ℃、東部26.0 ℃です。各地点で「ある月の値 − 同じ地点の平年値」を平年差とします。平年差と、その月の西部から東部を引いた東西差を小数第1位で求め、エルニーニョ型と整合する特徴を1つ述べてください。判定基準を満たすかは問わないものとします。

各地点の引き算の相手を固定します。単位はどちらも温度差なので℃です。

西部の平年差 = 27.0 ℃ - 28.0 ℃ = -1.0 ℃
東部の平年差 = 26.0 ℃ - 24.0 ℃ = 2.0 ℃
その月の東西差 = 27.0 ℃ - 26.0 ℃ = 1.0 ℃

東部は平年より2.0 ℃高く、エルニーニョ型の特徴と整合します。平年の東西差は28.0 ℃ − 24.0 ℃ = 4.0 ℃ですから、その月の東西差1.0 ℃は小さくなっています。東部は西部より冷たいままでも、東部自身の平年に比べて高温ということが両立します。

答えを条件に戻すと、28.0 ℃に-1.0 ℃を加えて27.0 ℃、24.0 ℃に2.0 ℃を加えて26.0 ℃です。両地点の差も1.0 ℃に戻ります。別解は各地点の変化を比較し、東部が西部より3.0 ℃多く上がったと見る方法です。もとの東西差4.0 ℃から3.0 ℃を引いて1.0 ℃です。この表だけでは風や躍層を直接測っていないため、実際にその過程が起きたと断定はできません。

発展例題：時系列と因果の区別

練習用資料として、ある海域の3時点A、B、Cの東風の強さを順に8、5、7、東部海面の平年差を順に0、2、1とします。風の数値は東風の強さを表す任意単位、水温差は℃です。各区間の変化量を整数で求め、風と水温の変化の対応を述べてください。この資料から先後関係や原因を確定できるかも答えます。

変化量は各区間の終点から始点を引きます。

AからBの東風の変化 = 5 - 8 = -3
AからBの水温差の変化 = 2 ℃ - 0 ℃ = 2 ℃
BからCの東風の変化 = 7 - 5 = 2
BからCの水温差の変化 = 1 ℃ - 2 ℃ = -1 ℃

AからBでは東風が弱まり、水温の平年差が増えました。BからCでは東風が強まり、水温の平年差が減りました。各結果を始点に足すと、それぞれ5、2 ℃、7、1 ℃に戻ります。風と水温の対応は典型的な相互作用と整合しますが、3時点の値だけでは各区間の中でどちらが先に変化したかはわかりません。共通の別の要因が関わる可能性もあります。

折れ線グラフにするときは時点を横軸に並べ、風と水温差の単位を縦軸で区別します。軸の目盛りを別々に取った場合、線の傾きの見た目だけで変化量の大小を比較できません。数値と単位に戻して引き算します。また、時点間を直線で結んでも、その間の実際の経過を測ったことにはなりません。

誤答を因果の向きから直す

「貿易風が弱まると、東部の冷水が強く湧き上がり、海面水温が下がる」という答案を考えます。風と湧昇の関係を逆にしたことが原因です。通常時の東風が赤道付近の表層水の発散と冷水の湧昇に関わると考えれば、風の弱化によりその働きが弱まる方向を選べます。図3のように、躍層が深くなる応答も間に入れて修正します。

図3の順に「東風が弱まると、東部の躍層が深くなり、冷水の湧昇の影響が弱まって海面水温が上がりやすい」と書きます。矢印は模式的な因果を示し、各段階が同時に必ず同じ大きさで変化するという意味ではありません。

もう一つの誤りは、「東部の水温が西部より低いからラニーニャです」とすることです。東西の大小ではなく、東部から中部の平年との差を確かめます。平年より高い東部が、それでも西部より低いことは標準例題で確かめました。さらに「暖水が東へ移るから海全体の熱が増える」とするのも飛躍です。配置の変化だけから海全体の熱の増減は決められません。

観測を比べるときの条件

風と水温の関係を調べるなら、赤道域の東西の位置、観測の深さ、平均する期間をそろえて比較します。季節で変わる通常の状態を含むため、同じ季節の基準からの差も求めます。場所がずれた測定値を同じ地点の時間変化と扱うと、場所による違いを変化と誤認します。

水温計の較正のずれ、測定深度の違い、欠測や平均期間の違いは比較に誤差を生みます。躍層は深さごとの複数の水温を測り、温度の変わり方から位置を見積もります。測定間隔が粗ければ変化の大きい層の位置に幅が残ります。単一の深さの水温だけでは、躍層全体の傾きは決まりません。

もし観測値が欠けたら、その点を都合のよい値で埋めて結論を出さず、前後と他の地点を区別して欠測として扱います。測器の故障や記録の期限切れで資料を得られない場合も、強弱の判定を保留し、使用できた範囲と不足した条件を明示します。値が不自然なら単位、深さ、時刻を照合し、それでも確かめられない値は推論の根拠から外します。比較条件がそろえば説明は強くなり、そろわなければ結論を限定することが必要です。

練習問題

次の数値はすべて練習用モデルです。実際の観測値や発生の基準ではありません。計算は指定された桁で答え、記述は指定の語を使ってください。

1. 東部の躍層が深さ40 mから65 mへ変化しました。下向きを正とし、深さの変化を整数のmで求め、深くなったか浅くなったか答えてください。
2. 東部水温の平年が23.0 ℃、ある月が21.5 ℃です。平年差を小数第1位の℃で求め、高低を答えてください。
3. 貿易風が通常より強まった場合、東部の躍層と海面水温がどう変わりやすいか、「浅い」「冷水」を使って述べてください。
4. ある月の西部と東部の水温はそれぞれ29.0 ℃、25.0 ℃です。両地点の平年はそれぞれ30.0 ℃、22.0 ℃です。東部の平年差と、その月の西部から東部を引いた差を小数第1位で求め、2つの比較の意味を述べてください。
5. 東部水温と東風の変化が同時に見られた資料について、相互作用と最初の原因に関して何を言えるか、「海」「大気」を使って述べてください。

練習の答えと道筋

1. 65 m − 40 m = 25 mなので、25 m深くなります。40 m + 25 m = 65 mと元の後の深さに戻せます。上向きを正にした座標で-25 mと表しても、物理的には同じ下降です。
2. 21.5 ℃ − 23.0 ℃ = -1.5 ℃です。平年より1.5 ℃低いことを示します。23.0 ℃に-1.5 ℃を加えると21.5 ℃へ戻ります。符号は東西の位置ではなく、同じ場所の基準との差を表します。
3. 東部の躍層は通常より浅い位置になり、冷水の湧昇の影響が表層に及びやすいため、海面水温は平年より低くなりやすいです。逆に通常より風が弱まれば冷水の影響は弱まる方向となり、基本の説明と整合します。
4. 東部の平年差は25.0 ℃ − 22.0 ℃ = 3.0 ℃です。その月の東西差は29.0 ℃ − 25.0 ℃ = 4.0 ℃です。東部は平年より3.0 ℃高い一方、その月の西部より4.0 ℃低いことを示します。22.0 ℃ + 3.0 ℃ = 25.0 ℃、25.0 ℃ + 4.0 ℃ = 29.0 ℃と、それぞれ条件へ戻せます。
5. 海が大気を変え、大気が海に作用する相互作用と整合します。ただし同時の資料だけではどちらが最初の原因か確定できません。先後を調べるには時間の細かい資料が必要で、それでも他の要因を検討します。片方だけの変化が原因だと決めず、双方の矢印を条件付きで読むことが必要です。

要点

通常の東風は西部への暖水の偏りと東部の湧昇に関わります。 風が弱まると東部の躍層は深くなり、冷水の影響が弱まりやすいです。 東部の平年差と東西の温度差は別の比較です。 海と大気は互いに作用し、その変化を増幅する場合があります。

答案のつまずきを見分ける

個別に答案を確かめるときは、まず断面の左右に西と東、縦方向に深さの増す向きが書かれているかを見ます。次に風の矢印が東から西か、通常時と変化後を比較する言葉があるかを確かめます。躍層の線を下へ描きながら「浅くなる」と書いた場合は、海面からの距離に戻って直します。

平年差の式では、引く数が同じ場所の平年値かを見ます。因果の記述では「風が弱まる」「冷水の影響が弱まる」「水温が上がりやすい」の向きがつながっているかを確認します。同時変化から最初の原因を断定している場合は、資料の時間間隔と測定対象を問い直します。断面の基準と比較相手を明記すると、海と大気の連鎖を根拠のある言葉で表せます。