高校地学基礎 海洋の循環—表層の流れと深層へ沈む流れを区別する｜武蔵野個別指導塾

風が動かす表層と、冷却や塩分による密度差で沈む海水を図と例題でたどり、熱を運ぶ海洋の循環を整理します。

よくあるのは、海の表面に風が吹くことを覚えた高校生が、深い海を流れる海水も風だけで動くと答える場面です。表面と深い場所はつながっていますが、それぞれの動きを説明する手掛かりは同じではありません。答案では、どの場所の水について、何が動きのきっかけになるかを分けて書きます。手元の範囲表やノート、ワーク、小テストで扱った語と図を先に確認し、授業で使った表現と対応させてください。

図や文章から何を拾うか

出方の1つは、海面の風と表層の流れを結び付ける問題です。矢印が風なのか海水なのかを見分け、海面近くで風の影響を受けた水が動くことを説明します。風の矢印をそのまま深海まで延ばしてはいけません。図の矢印は場所と向きを示す記号であり、長さから速さを読めるとは限りません。

別の型では、海水が冷やされたり塩分が変化したりする条件が与えられ、沈みやすさを比較します。水温と塩分の両方が違う場合は、それぞれが密度にどう作用するかを整理します。条件が足りないのに、どちらが必ず沈むかを決めることはできません。

さらに、暖かい海水や冷たい海水の移動を熱の運搬と結び付ける記述があります。水そのものの移動と、そこに伴う熱の移動を区別し、どちらからどちらへ運ぶかを明示します。実際の流れの細かな経路を暗記していなくても、資料に示された向きから説明を組み立てられます。

風と密度差を別々の入口にする

海洋の表面近くでは、吹き続ける風が海水を動かし、広い範囲の表層循環に関わります。海水の流れは風の向きだけで決まるわけではなく、地球の自転や大陸の配置などの影響も受けます。したがって、風と表層流が必ず完全に同じ向きだと覚えるのではなく、問題の図に記された矢印を読みます。

深層循環を考えるときの入口は海水の密度です。同じ塩分なら冷たい海水ほど密度が大きくなり、同じ水温なら塩分の高い海水ほど密度が大きくなる傾向があります。冷却や、海氷ができる際に周囲の海水の塩分が高まることなどによって、表面の海水の密度が周囲より大きくなると沈み込みが起こりえます。沈んだ水は深い場所を流れ、別の場所でゆっくり上昇して表層へ戻る循環の一部になります。

図1のように、表層の矢印と深層の矢印を異なる場所に置くと、風と密度差を混同しにくくなります。図は関係を示す模式図で、実際の距離や速度の比を表しません。表層と深層は無関係な2本の管ではなく、沈降や上昇を通じて結び付いています。風が海洋全体に影響しうることと、深層水の形成を風だけで説明することは別です。

海水が移動すれば、その水が持つ熱も運ばれます。低緯度側から高緯度側へ暖かい表層水が移ると、低緯度側から高緯度側への熱の輸送に寄与します。冷たい水が逆向きに動くことも、熱の分布を考える上で重要です。ただし、水の温度だけから運ばれる熱の量や、ある地点の気温の変化量まで決めることはできません。

基本例題：沈む前後の順序を追う

次の条件は説明のための自作モデルです。容器内の海水Aとその周囲の海水は、初めに同じ水温、同じ塩分です。Aが周囲より冷やされ、その間、Aと周囲の塩分は等しいままとします。冷却後のAの密度と動きを周囲と比べ、「密度」「沈む」の2語を使って記述してください。また、海面に吹く風が直接動かす部分と、Aが沈む理由をそれぞれ答えてください。

図2では、冷却後のAを左側、比較相手を右側に置きました。まず比べる条件をそろえます。塩分は等しいと問題に指定されているので、塩分の違いによる密度変化を加える必要はありません。次に温度を比べます。Aは周囲より冷たいので、同じ塩分という条件ではAの密度が周囲より大きくなります。

密度が大きくなったAは、周囲の水の下へ沈みます。求められた語を入れた答えは「Aは冷却によって周囲より密度が大きくなり、沈む」です。ここで「冷たいから沈む」とだけ書くより、温度の変化と上下の動きを密度でつなぐと、判断の理由が見えます。

風が直接動かす部分は海面近くの表層水です。一方、Aが沈む理由は冷却による周囲との密度差です。図の下向きの矢印を風の矢印として読むと、問いの2つの部分が混ざります。答えを条件に戻すと、Aと周囲の塩分は等しく、冷却されたのはAなので、密度の大小を逆にする根拠はありません。

同じモデルで、Aが冷やされなかった場合も考えます。初めの水温と塩分が等しいままなら、この条件からAが周囲より高密度になったとは言えません。沈降を必ず起こす原因として冷却を書くには、比較相手より冷たくなったという条件が必要です。逆に、周囲も同じだけ冷えた場合は、冷えたという事実だけでは両者の密度差を決められません。

条件が両方変わるときの分かれ目

次も自作モデルです。海水BとCは初めに同じ水温と塩分です。その後、BはCより冷たくなりましたが、Bの塩分はCより低くなりました。BとCの密度を比較できるか答え、冷却と塩分低下のそれぞれがBの密度に働く向きを示してください。比較できない場合は、判断に必要な情報も記述します。

まず水温だけを比べると、Bが冷たいことはBの密度を大きくする方向に働きます。次に塩分だけを比べると、Bの塩分が低いことはBの密度を小さくする方向に働きます。2つの作用は逆向きです。したがって、与えられた条件だけではBとCのどちらの密度が大きいか決められません。

答えは「冷却はBの密度を大きくする方向、塩分低下は小さくする方向に働くため、大小は決められない。両者の密度、またはそれを比較できる資料が必要」です。冷却の効果が大きい場合にはBが高密度になりえますが、塩分低下の効果が大きい場合には逆になりえます。両方の変化を見ずに一方だけで決めてしまう箇所が分かれ目です。

答えを条件へ戻して確かめると、Bは確かに冷たい一方で塩分も低いので、どちらか一方の作用を消すことはできません。たとえ「寒い場所の水は沈む」と覚えていても、この設問では周囲の水との比較が必要です。実際の海では複数の条件が同時に変わりうるため、資料が示す範囲を超えて断定しない姿勢が役立ちます。

間違いを矢印まで戻して直す

誤答の例は「深層の海水は、海面に吹く風が直接押すので沈む」です。この文は風が海面近くに働くことと、表面の水が高密度になって沈むことを1つに混ぜています。深層水の形成について問われたら、冷却や塩分変化と周囲との密度差を先に点検します。

図3のように、風は表面の流れにつなぎ、沈む矢印には密度差を対応させます。修正例は「表層水は風の影響を受けて流れ、冷却などで周囲より密度が大きくなった水は沈む」です。表面の水が沈んで深層につながるという関係も残すので、2種類の動きを切り離しすぎずに説明できます。

別の誤りは「塩分が高い水は、どんな条件でも必ず別の水より高密度」です。比較相手との水温の違いが示されているときは、その違いも密度に作用します。水温が等しいなら塩分を使って比較できますが、水温も違うなら資料なしに断定できない場合があります。答案の「同じ水温なら」という条件を落としていないか確認します。

熱輸送では「暖流は熱を作る」という表現も直します。暖かい水が移動して熱を運ぶことと、その場で熱を作ることは異なります。図に示された水の出発側と到着側を指で追い、運ぶ向きを文の主語と述語に戻してください。

自分で解く4問

以下はすべて学習用に作った条件です。各問の条件をほかの問に持ち込まず、まず4問を通して解いてから解答を見ます。

問1　海面近くの水Dに風が吹き続けています。風が直接影響する場所を答え、深い場所の水の形成を説明するときに別に確かめたい性質を1つ答えてください。

問2　海水Eと周囲の水は水温が等しく、Eの塩分が周囲より高いとします。Eの密度を周囲と比べ、Eの動きを「密度」「沈む」を使って答えてください。

問3　海水Fは周囲より暖かく、塩分も高いとします。Fと周囲の密度の大小をこの情報だけで決められるか答え、2つの条件が密度に働く向きをそれぞれ示してください。

問4　ある模式図では、暖かい表層水が低緯度側から高緯度側へ移っています。この移動に伴う熱輸送の向きを答え、海水の移動と熱の関係を1文で説明してください。

解答と確かめ方

問1の答えは、風が直接影響する場所が海面近くの表層で、別に確かめたい性質が周囲と比べた海水の密度です。風から始めて表層の動きを読むことができますが、深層水の形成には沈む水と周囲との密度関係が必要です。Dがどれほど冷却されたかなどの条件は与えられていないので、Dが必ず沈むとは答えません。

問2の答えは「Eは周囲より密度が大きく、沈む」です。水温が等しいため、示された塩分の差から密度を比較できます。Eの塩分を周囲より高いという元の条件に戻すと、密度が大きい側と沈む側がEで一致します。塩分が高いことを密度が小さいことと取り違えていないか、文を逆から読み直します。

問3は「大小を決められない」が答えです。周囲より暖かいことはFの密度を小さくする方向に、塩分が高いことは大きくする方向に働きます。2つの作用が逆なので、どちらが優勢かを比較できる資料が必要です。問題の両条件に戻し、暖かさと塩分のどちらも説明に入っているか確かめます。

問4では、熱は低緯度側から高緯度側へ運ばれます。「暖かい海水が低緯度側から高緯度側へ移ることで、その水に伴って熱も運ばれる」と説明できます。与えられた水の移動方向に戻すと、出発側と到着側が答えと一致します。水温や流量の具体的な値がないため、輸送される熱の量は求められません。

資料を読むときの手順

表層と深層の矢印が同じ図にある場合は、まず海面の位置を確かめます。海面に接している矢印が風を表すのか、水の流れを表すのかは凡例や説明文で判断します。矢印の色だけで決めると、問題ごとに表現が違った場合に読み間違えます。沈み込みの矢印を見つけたら、その場所で表面の海水に何が起きたと示されているかを探します。

資料に冷却と書かれていても、それだけで水の移動先の水温まで特定できるわけではありません。比較対象の塩分が同じか、密度の大小が直接示されているかを確かめます。塩分を高める過程が示されている場合も同様に、周囲との水温差を見落とさないようにします。条件が足りないときは、必要な比較資料を示して判断を保留します。

記述の問題では、原因と結果を順番に並べます。例えば、表層水の冷却、周囲との密度差、沈降という順です。「冷却」と「沈降」だけを並べた答案には、途中の密度の説明を加えます。一方、熱輸送を問われた場合は、冷却の順序だけでは移動方向の答えになりません。図に戻って海水がどちらへ流れるかを確認し、その方向を文に入れます。

この順序で見直すと、語を知っていても設問に答えていない失敗に気付けます。表層の風、沈降の密度差、流れに伴う熱輸送のうち、問題が尋ねている対象を最初に印で示してください。対象に合う原因と結果を結んだ後で、図や条件に戻して答えを点検します。

答案に残す要点

表層循環には風が関わります。 冷却や塩分変化は密度を変え、周囲より高密度の水は沈みえます。 水温と塩分が両方違う場合は、片方だけで密度を決めません。 海水の移動は熱の輸送にもつながります。

どこで止まったかを見つける

図は描けても説明が続かない場合、矢印の始点に「風」か「密度差」かを書き添えてみます。下向きの矢印に風を書いたなら、作用する場所をもう一度たどる必要があります。比較問題で答えが逆になった場合は、水温と塩分のどちらを同じにした条件かを答案に囲んでから、密度の大小を言葉で言い直します。

個別指導で確認するなら、まず生徒自身に表層と深層の矢印を描いてもらい、それぞれの原因を口頭で説明してもらいます。次に、水温と塩分が逆方向に作用する条件を示し、判断できない理由を両方の語で書けるか確かめます。最後に熱を運ぶ向きを図から文へ移し、出発側と到着側が入れ替わっていないか見ます。海洋の循環は、動く場所と密度の比較をそろえると筋道が見えてきます。