中学受験理科｜海嘯は川の水全部の逆流？｜波の先端と水の動きを分ける

潮が満ちるとき、川を上流へ進む急な水位の盛り上がりが生じる場所があります。海嘯と書いて「かいしょう」、または潮汐ボアと呼ぶ現象です。川の水位が段差のように上がる前線が進みますが、その先端の進む速さを、すべての水粒子の速さと同じにしてはいけません。

水位の変化が上流へ伝わる

海嘯は、潮位差や河口の形、水深などの条件がそろう一部の河川や河口で起こります。満潮になる川ならどこでも同じように発生するわけではありません。波の先端が通ると水位が急に上がり、その後に複数の波が続く場合もあります。

河口から上流へ向かう矢印は、何を示すかを確認します。水位の急変する場所が移る矢印なのか、水そのものの流れる矢印なのかで意味が違います。波が上流へ進むことと、水の流れがどう変わるかを一つの矢印にまとめると、観測記録を取り違えます。

図：塩水くさびと異なる水位の段差の伝播と観測時刻。数値は本文の例題条件に対応する模型です。

二か所で同じ波の先端が到着した時刻を測れば、その区間の平均の移動速度を求められます。使う距離は、先端が進んだ川に沿う距離です。曲がった川の二地点間を地図の直線で結んだ距離とは、違う場合があります。

別々の波を同じものとして結んでしまわないことも重要です。最初の大きな水位上昇を測ったのか、その後の二番目の山を測ったのかをそろえます。水位計のグラフが複数あるなら、形と順序を照合し、同じ特徴を追います。

川に沿って1.8km離れた地点Aと、その上流のBがあります。同じ海嘯の先端がAに10時00分、Bに10時06分に到着しました。この区間の平均速度を毎秒何mか求めなさい。

答え・解説： 距離は1800m、時間は6×60＝360秒です。1800÷360＝5m/秒で上流へ進みます。時計の10時という数字ではなく、到着時刻の差を使います。また、この答えは波の先端の平均速度であり、水そのものが全部5m/秒で上流へ流れると決める値ではありません。

幅20m、長さ300mの長方形の区間で、水位が一様に0.4m高くなったとします。増えた水の体積は何立方mですか。川幅と川底の形は変わらず、横への流出はない模型です。

答え・解説： 20×300×0.4＝2400立方mです。この区間の水量増加は計算できますが、この情報だけで全部が海から入った水だとは言えません。上流や下流を通る流量も含めた収支を調べなければ、水の由来は決まりません。

河口で海水が底をさかのぼる塩水くさびは、水の密度や上下の分布に注目する題材です。海嘯は急な水位変化の伝わり方に注目します。どちらも河口で海の影響を受けますが、同じ現象の別名ではありません。

海嘯が通った後に塩分が上がった記録があっても、塩分の変化する位置と水位の先端が必ず一致するとは限りません。水位計、流速計、塩分計が測るものを別々に整理します。一つの計器の変化を、他の量の変化として読み替えないことが大切です。

写真で先端が高く見えても、川幅が狭いか広いかで動く水の量の見積もりは変わります。また、流量を求めるには流れの断面積と水の速さが必要です。例題1の波の速さを、そのまま流量の計算へ入れることはできません。

水位計の縦軸が海抜の高さなら、場所ごとの川底の高さも違う可能性があります。Aの水面がBより低いというだけで、Aの水深も浅いとは限りません。川底から水面までの水深と、共通基準からの水位を区別して読む必要があります。

ある日の平均速度が5m/秒だったとしても、次の日も同じとは限りません。潮位や河川流量などの条件が違えば波の進み方も変わり得ます。問題が「この区間を同じ速さで進む」と指定していれば予測計算ができますが、その条件なしに遠い場所の到着時刻を確定しません。

水辺で近づいて観察するための記事ではありません。海嘯は流れが急に変わる現象なので、映像や観測図を使って考えます。入試の資料問題での焦点は、波の移動、水の移動、水位の変化という三つを分け、どの記録から何を求められるかを選ぶことです。

上流と下流の水位計の時計が合っていなければ、到着時刻の差には時計のずれも入ります。六分という短い移動時間を使う例題では、一分のずれでも結果への影響が小さくありません。現地の観測では共通の時刻基準が必要で、資料問題でも時計を合わせたという条件に意味があります。

区間が長く、途中で速さが変わるなら、全距離を全時間で割った値は平均です。川幅が狭まる場所を同じ速さで通過したとは限りません。三地点の記録があれば、前半と後半を別々に計算して、速さが変わったかを比べられます。二地点だけの資料から途中の最大速度までは求められません。

水面に浮かぶ目印の動きと波の先端を映像で追えば、二つの速度を別々に測れます。ただし、目印が岸の障害物へ引っ掛かった場面まで水流の記録として使わないようにします。何を追跡した記録かを明示することで、「上流へ進む」という同じ表現の中身を区別できます。