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Index 第一部（一章 二章 三章） 第二部（一章 二章 三章 四章）
三章 津波の実験
1 水槽で津波を作る top
私は、一〇年程前に高校の科学部の指導を終え、退職後は自宅に HOTLINE 波力研究所を開き教材用に水波の実験映像を提供していました。
二〇〇八年の日本物理教育学会東北支部研究発表会の後、教材会社のナオムラさんから環境教育の教材として、津波発生装置の開発について相談を受けました。
当時、津波を演示する適当な実験装置がなかったのです。
水槽で津波と同じような波を作るには、水底の広い範囲で隆起と沈降を同時に起こさなければなりません。
そこで私は、変形した板バネを跳ね返らせて津波とよく似た波を発生する装置を製作しました。
この装置で作られた波は、波長の長いなだらかな波形をしていて、津波の特徴をよく表していました。
「私のやっている実験教室をお願いするよ」
二〇〇九年の夏、私の尊敬するアキタカ先生からベルマーク実験教室を引継いで欲しいとの依頼があり、小学生を対象に津波の実験教室をすることになりました。
Ｖ字谷の模型に波を送り、家の模型が流されると、
「あ！、家が」
と、息を呑んで見つめる子供たちの不安な顔。
やり過ぎたかなと思いつつ、津波実験の手応えを感じました。
今年（二〇一一年）はベルマーク実験教室の他に、ＪＳＴの草の根プロジェクトに参加し、各地域の消防団を対象にした津波の実験教室を五回実施する予定でした。
ところがその矢先に、三月十一日、東日本大震災が起きたのです。
家も、車も、実験装置もすべて流されました。
震災後、こうしよう、ああしようと実験の課題が頭の中を駆け巡り、そして、何もできなくなったことに気づいて目覚める日が何日か続きました。 |
図18 津波発生装置
レバーで板バネを変形レ跳ね返して疑似津波を発生します
※この津波発生装置は大阪のケニス（株）から教材用津波発生装置として2011年4月から発売されています。
津波発生装置で作った波の波形（口絵図5）
1 左端の板バネが跳ね返る前
2 左端の板バネが跳ね返った直後
水面に凹凸ができて波が発生
34 谷を先頭に波長の長い波が左から右へ伝搬します |
ある日、墓石の戒名を確かめに長面へ行きました。
戒名を確かめた後、山裾に点在している車が気になって見て回りました。
「やっぱりないな」 と半分あきらめてお寺へ戻ると、お寺の影に見慣れた車がありました。
私の車でした。
車の中には、仙台の実験教室用に準備した実験装置が積んでありました。
大きな水槽は半分壊れていましたが、多くの装置が無傷で残っていました。
教材会社に送ったままになっていた津波発生装置の試作品と合わせれば、実験が再開できます。
実験は仙台のマンションのベランダを使って行いました。
2 実験1 水深による波形の変化 top
追波湾は奥ほど浅くなっています。
追波湾に進入してきた津波の波形は、なだらかな波形から山が切立った波形へと変化したと思われます。
水深が深い所から浅い方へ向かって波を送り、波形の変化を調べてみましよう。
津波発生装置の右端に台形の台を置いて水深を浅くし、なだらかな波形の波を送りました。
波は、水深が浅くなる
と波の山が進行方向前方にせり出した波形に変化しました。
追波湾に進入した津波も、このように波形を変えながら湾の奥に進入したのです。
水深が変化すると、水波の波形が変化するのはなぜでしょう。
それは、水波は水深と波長によって波の伝わる速さが変わることが原因です。
波長が水深の二分の一以下の波が伝わる速さは、重力加速度（9.8m/s*s）と波長の積を2πで割った値の平方根で決まります。
波長が水深の二分の一以上二五倍以下の波の伝わる速さは、波長と水深によって変ります。
水深が浅くなると波の伝わる速さが遅くなります。
その結果、波長が短くなり、波高が高くなります。 |
水深が浅く変るときの水波の波形の変化（口絵図16）
右端：台形の台
1 波長の長いなだらかな波形の水波発生
23 水波が左から右へ伝搬
4 水深が浅くなると、ながらかな波形から、山が進行方向へせり出した波形に変ります |
また、水波の波形は様々な波長の波が重なってできています。
波長の長い波の上に様々な波長の波が乗った波の集団と考えてよいのです（群波といいます）。
水深が変ると、波の集団は波の伝わる速さの違いから波長と波高（水深に影響します）によって分かれ、同じ速さで進む新たな波の集団ができます。
この波の集団が新たな波の波形を作り、波形が変化するのです。
3 実験2 海岸線近くでの波の変化
top
緩やかな斜面で生じる巻波――
波（津波）は海岸線（汀線＝ていせん）の近くで著しく変化します。それも、海岸の地形によって異なります。
月浜の海岸では津波は巻波となって襲いました。
巻波を作ってみましょう。
津波発生装置の波では巻波が小さかったので、水槽に設置した緩やかな傾きの斜面に波を送り大きな巻波を作りました。
斜面の汀線に波が近づくと波の山が前方に張り出し、波頭が波の前方に張り出し、前の谷を乗り越えるような巻波になって崩れました。
崩れた後は乱流になって斜面を駆け上がりました。
波面に浮かべた小さな浮体は、巻波と一緒に波の前方に飛び出し、もまれて波と一緒に斜面を駆け上がりました。
壊滅した月浜は、いたるところが激しく洗掘されていました。
巻波が防波堤に当たって壊し、砕波して乱流となった海水が集落を襲ったのだと思われます。
急な斜面で生じる段波――
急な斜面に波があたると波はどうなるでしょうか。
少し急な斜面に津波発生装置で起こした波をあてました。
今度は巻波はできずに、波の山が前方にせり出し、波は壁のように立上って斜面を駆け上がりました。
波面に浮かべた小さな浮体は、波と一緒に斜面を駆け上がりました。 |
左＝巻波（口絵図7）
傾きの緩やかな斜面の汀線で起きる巻波
波の山が、時間をかけて波の谷を越え、巻波ができました。
波頭の動きが速く、波のエネルギーが波頭に集中しているのがわかります。
落下した波頭は、乱流となって斜面を遡りました。
右＝段波（口絵図8）
傾きの大きな斜面の汀線で起きる段波
水の壁が､巻波を作る時開府余裕のない、短時間のうちに波の谷を越え、斜面を水塊が遡りました。 |
小浮休の勁吉は水の動きを示しています。波と一緒に水が斜面を駆け上がったのです。
波の水位が段の様に変るこのような波を段波と呼びます。
水平面を進む段波――
長面海岸に落差のすごく大きい青い波が上陸し、飛砂防備林の赤松を抜き、波しぶきも上げずにすごいスピードで移動し、四キロメートル上流の釜谷へ運びました。
また、北上川に進入した津波は皿貝川水門を大きく越流し、新北上大橋の橋桁を流し、間垣の堤防を決壊し、川のカーブで外回りの堤防を越流しながら約二〇キロメートル上流まで遡りました。
河口で抜かれた赤松の木は約二〇キロメートル上流まで運ばれました。
水平面を進む段波を作ってみましょう。
少し急な傾きの抖面を汀線付近で水平に折り曲げた装置に波を送りました。
汀線近くで盛り上がった波は、壁のような波形をほぼ保った段波となって、水平面を移動しました。
段波中の小浮体は波と一緒に移動しました。
段波は、水の塊が移動するのです。
長面海岸に上陸した津波は、段波となって海水の塊が長面の水田をすごいスピードで移動し、釜谷の集落に集中したと考えられます。
長面海岸の飛砂防備林の赤松が四キロメートル上流の釜谷に大量に運ばれたのは、波と一緒に海水塊が移動したことを示しています。
北上川に進入した津波も段波となって、障害物がほとんど無い北上川の川面を海水塊が移動し、皿貝川水門を大きく越流し、新北上大橋の橋桁を流し、間垣の堤防を決壊し、川のカーブで外回りの堤防を越流しながら、約二〇キロメートル遡ったのです。
河口の赤松が約二〇キロメートル上流の河口堰まで運ばれたのは、波と一緒に海水塊が北上川を移動したことを示しています。
津波にとって河川は障害物のない川面を海水塊が進むことのできる高速道路のようなものです。
家を壊し、電柱を倒し、木を抜き、橋を流し、堅牢な建物を壊した津波の破壊力は、波と一緒に移動する海水塊によって生じたといえます。
段波も進行するに従って、黒く渦巻く乱流に変わると考えられます。 |
平地を進む段波（口絵図9）
矢印：浮体の位置
段波が左から右へ移動
小球も段波と一緒に移動
段波は水塊となって移動する。
瓦礫が流されたのは水塊と一緒に移動したためです。 |
壁にあたった波が高く跳ね上がる場合と、上がらない場合――
神割崎や大須では津波は他に比べあまり上がりませんでした。どうして波が上がらなかったのでしょう。
水槽実験で確かめてみましょう。
断崖の海岸に似せて、水深の深い平坦な底に垂直の壁を立て、津波発生装置で起こした波をあてました。
波は、垂直の壁にあたると、壁に沿って少し上昇し、反射しました。
激しく波が跳ね上がることはありませんでした。
神割崎や大須と同じです。
ところが、月浜では波が防波堤にあたって波が激しく跳ね上がり、防波堤が壊れました。
どうして、波は激しく跳ね上がったのでしょう。
緩やかな傾きの斜面に垂直の壁を立てて、波をあて、波が高く上がるところを探してみました。
波が激しく跳ね上がったのに、巻波ができるところの周辺に垂直の壁を立てたときでした。
巻波の波頭が壁に激しくあたり、波が高く跳ね上がっていたのです。
波が高く跳ね上がったとき、壁を支えなければ動くほど大きな力が生じました。
月浜の防波堤はこの大きな波の力によって壊されたのです。 |
垂直の壁にあたった波の反射（口絵図10）
12 左から右へ垂直の壁に向かう波
3 壁にあたった瞬間の少し高くなった波
45 右から左へ反射する波 |
壁にあたる巻波（口絵図11）
1 左から右へ斜面に沿って壁にせまる波
2 巻波となって壁にあたる直前の波
34 波しぶきを上げて激しく高く跳ね上った波
56 落下し後退する波 |
汀線での波の変化は斜面の傾きが原因――
なぜ、波は海岸線の近くで巻波になったり段波になったりするのでしょう。
なぜ、巻波のできるところに壁を立てると波は激しく跳ね上がり、大きな力が生じるのでしょう。
なぜ、水深の深い水底から垂直に立てた壁に波があたるとあまり波高は高くならずに反射したのでしょう。
その原因は、すべて斜面の傾きにあります。
波長に比べて水深が浅い（水深が波長の二五分一以下）ところの水面を伝わる波の速さは、水深の平方根に比例します。
傾きが緩やかな斜面に向って波が進む場合は、波の伝わる速さがゆっくりと変化します。
次第に波長が短くなり、波高が高くなって、山が前方に張り出してきます。
汀線近くでは波の山とその前方の谷の進む速さは、水深の浅い前方の谷の方が遅くなります。
波の山は前方の谷に次第に近づいてせり出してきます。
このとき大事な条件は、斜面が緩やかであることです。
波の山は時間をかけて波形を変えながら徐々に前方の谷に近づきます。
前方の谷が目前に迫ったとき、山の波頭の水の速度が谷の伝わる速度を超えて、波頭の水が前方に飛び出し、谷を越えて落下し碎波します。
これが巻波です。
水波のエネルギーは媒質である水の横長の楕円運動の運動エネルギーと位置エネルギーの和です。
波のエネルギーは一波長の間に広がっています。
汀線近くでは波の山と谷の回隔が次第に狭まりますから、波形を変えながら山と谷の間に広がっていた波のエネルギーが短い間隔に集中してきます。
巻波は、波のエネルギーが集中した波頭が前方に飛び出して、碎波し、乱流となって、一気に波のエネルギーを失う現象とも言えます。
傾きが急な斜面に向って波が進む場合は、波の伝わる速さが急速に変化します。
汀線近くでは、波の山とその前方の谷が急速に近づいて、波の山が壁のようになってせり出してきます。
波の山と谷の速度変化が急で、巻波ができる時間が無いか、できてもきわめて小さなうちに、波の山は前方の谷を越え、水塊となって前方へ進みます。
これが段波です。
段波は、波のエネルギーが水塊の運動エネルギーに変わる現象とも言えます。
巻波が壁に当たり激しく跳ね上がって、大きな波力が生じるのは、波のエネルギーが集中した波頭が壁にあたり、短時間で波のエネルギーを失うからです。
それはちょうど、手を引かずにボールを受取るのと似ています。
短時回でボールの速度をゼロにするには大きな力が必要です。そのため手が痛くなります。
壁もまた、波のエネルギーが集中して速い速度であたる水を、短時間で受止めるために、大変大きな力がかかります。
この力を衝撃砕波（さいは）力といいます。
月浜の防波堤が壊れたのは、巻波があたって生じた衝撃砕波力のためです。
それでは、水深の深い壁にあたった波は、激しく跳ね上がらずに反射したのはなぜでしょう。
水深が深いと、波の伝わる速さは変りません。波長も波形も変りません。 |
図19 段波（上）巻波（下）ができる理由
波の伝わる速さは水深の平方根に比例します。
急な斜面に波が来ると、水深が急に浅くなるため、波の谷は急に減速し、波の山が短時間で波の谷を乗越えます。
その結果、山はほとんど巻波を作らずに谷を乗越え、壁のような波形のまま斜面を上ります。（上図）
緩やかな斜面に波が来ると、水深が徐々に浅くなるため、波の谷は徐々に減速し、波の山は時間をかけて波の谷を乗越えます。
その結果、山は谷を乗越えて大きな巻波ができます。（下図）
図20 段波、巻波、衝撃砕波と水の運動
水波の伝わる速さは、水深が浅くなると遅くなります。
波の伝わる速さが遅くなると、波の山と山の間隔が狭まって、波長が短くなります。
波のエネルギーは、水の周回運動の運動エネルギーと位置エネルギーの和です。
汀線近くでは、前後に広がっていた波のエネルギーが波長が短くなった狭い範囲に集中し
ます。
斜面が急な場合は、巻波ができず、波は水塊となって斜面を上ります。
このとき、水位が段のように変化する波を段波と呼びます。
斜面が緩やかな場合は、巻波となって、波頭が前の谷を越えて砕けます。
巻波の波頭には波のエネルギーが局所的に集中し、水の速度が増します。
巻波ができるところに防波堤があると、波のエネルギーを集めた波頭が防波堤にあたって
激しく跳ね上がり、短時間で波は砕波します。このとき瞬間的に発生する大きな力を衝撃
砕波力といいます。 |
波のエネルギーは一波長の間に分散したまま、壁にあたります。
壁は分散して比較的小さい波のエネルギーを順次跳ね返すので、波は激しく跳ね返らないのです。
それはちょうど、手を引きながらボールを受取るのと似ています。
時間をかけてボールを受取るため小さな力で済みます。
壁もまた、時間をかけて波を跳ね返すので大きな力はかからず、波は跳ね上がらないのです。
津波について話してくれた大須の漁師が、大須は太平洋に面した絶壁にあるから津波が上がらないと言っていたのは、本当にそうなのです。
4 実験3 平地に進入した津波の重ね合わせ
top
尾崎の山から、長面浦から出てきた津波の第一波、第二波と入ってきた第三波が重なって激しく跳ね上がり、三角波ができたのを、尾崎の人が目撃しています。
ふたつの波が重なっただけで、波が激しく跳ね上がったのはなぜでしょう。
水槽実験で再現してみましょう。
水槽に台形の装置を入れ、両端から波を送り、台形の上で重ね合わせました。
水深は台形の上辺と等しく、台形の上辺を進む波は段波状になります。
台形の上辺を左右から進んできたふたつの波はほぼ中央で重なり、重ね合わせの原理では説明ができないほど高く上がりました。
尾崎の人が目撃した三角波です。明らかに普通の波ではありません。
重なった後は、ほぼ元の波に戻り分かれていきました。
段波は、水塊の移動です。重なったとき、水の動きはどうなっているのでしょう。
台形の上辺の左右に小さい赤玉と黄玉を置いて、左右から波を送りました。
赤玉と黄玉は左右の波に運ばれて、波と一緒に中央に来ました。
波が重なると、赤玉と黄玉は一瞬不規則な運動をして、元来た方向へ跳ね返りました。
段波となって進むふたつの水塊は、衝突して跳ね返ったのです。
連続写真で見ると、衝突後、ふたつの水塊の速度が交換されているように見えました。
あたかも、ふたつの鋼球が衝突して運動量が交換したかのようです。
段波となって進む津波は、水の流れだけでなく、運動量を持ったひとまとまりの水塊としての性質も持っているのです。
ただし、運動量が交換されたかのように水塊が跳ね返るのは、左右からの段波がほぼ等しい大きさ（水塊の大きさ）の場合に限られます。 |
段波の重ね合わせ1（口絵図13）
段波の重ね合わせ2（口絵図14）
段波が重なると波は激しく跳ね上がりました。
小浮体は、段波が重なった所で跳ね返りました。
跳ね返った小浮体は、運動量をほぼ交換しました。 |
5 実験4 Ｖ字谷で強まる津波 top
以前からＶ字谷状の地形は、津波が高まる傾向があることが知られています。
今回の東北地方太平洋沖地震津波でも、大須や神割崎での水位のＬ昇は約五メートルでしたが、相川、船越、名振のようなＶ字谷状の地形では約一〇メートルに上りました。
水槽実験で、津波がＶ字谷状の地形に進入する様子を再現してみましょう。
水路に斜めに横断する斜面を付けたＶ字谷の片側の糢型に、津波発生装置で起こした波を送りました。
波はＶ字谷の半分の模型に進入し、斜面の水位を高めながら進み、波の先端は谷の奥深く、高く上がりました。
一瞬止まった水塊は、逆向きの強い流れ（引き波）となって元の水面に戻りました。
水面に浮かべた小浮体は波と一緒にＶ字谷の奥の高い所まで運ばれ、一部を残して、再び逆向きに流され元の水面に運ばれました。
相川、名振、船越、大室、白浜のように山が海岸にせまった入江では、この実験と同じように、海水の傀が谷の奥の高い所まで進入し、その後、逆向きの流れとなって海に戻ったと推測されます。そのとき、海水の塊と一緒に壊された家々が、はじめは山の方へ運ばれ、次に海へと運ばれたと考えられます。
湾奥の月浜や立神で波が高くなったのも、Ｖ字谷状の地形をした追波湾によって波が強められたためと推測されます。 |
Ｖ字谷の模型を進入する波（口絵図12）
12 V字谷に進入する波
34 奥の斜面を駆け上がる波
5 入江の口の水位が下っでも、奥の斜面を上り続ける波
この後、波は元の水面に向かって逆流しました。
※波が入江に進入する時、山に沿って進む波の水位が高くなっています。 |
6 Ｖ字谷に波のエネルギーが集中する理由
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Ｖ字谷の地形が津波の波高を高めることはよく知られていますが、どのようにして波のエネルギーがＶ字谷に集まるのかはまだよく分かっていません。
そこで、段波の重ね合わせの実験を参考にして、その理由を考えてみましょう。
Ｖ字谷に進入した段波中央の水塊は深い谷の中央を速い速度で奥へと進みます。
段波の左右の水塊は、水深の浅いＶ字谷の両側の斜面に反射し、遅れて谷の奥へと進みます。
狭まった谷の奥の高い所に達した段波の中央の水塊に、段波の左右の水塊が遅れて到着し追突します。
段波中央の水塊は少量で、段波の左右の水塊は大量です。
左右の大量の水塊から、中央の少量の水塊へ運動量が移動し、中央の水塊は運動量を得て、より高く上がります。
その結果、左右に広がった波のエネルギーはＶ字谷の中央の少量の水塊に集中するのです。
それはちょうど、大きな球が小さな球に追突すると、小さな球が勢いよく飛び出す現象に似ています。
Ｖ字谷の模型での実験で、側面の斜面に沿って進む波の水位が高くなりました。
側面の斜面に沿って進む波の水位が高くなるのは、波が斜面にあたって反射していることを示しています。
Ｖ字谷に進んだ水塊は、奥ほど狭く最上部は少量で、その下部に大量の水があります。
このことは、下部の大量の水塊のエネルギーが上部の少量の水塊に移動したことを示しています。
海岸から四キロメートル離れた釜谷の集落を約一〇メートルの高さの津波が襲ったのも、横に広がっていた波のエネルギーが、山と堤防とでＶ字谷のように狭まった地形に集中したためと考えられます。
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