じつは海水は混ざりにくい!?　海水の不思議な性質を「カクテル実験」で体験しよう【夏休み自由研究サポート】

じつは、海水は混ざりにくい!?

海には波があったり、海流と呼ばれる強い流れがあったりします。さらには「海洋大循環」と呼ばれる地球規模での大きな海水の循環があることを聞いたことがある人もいるかもしれません。でも、じつは、この海水には「深さ方向には混ざりにくい性質がある」といったら、どうでしょうか？

ここで紹介する「海水カクテル実験」は、この海水の混ざりにくさが理解できる、驚きの実験です。まずは、この実験のやり方を紹介します。その後で、海水の不思議な性質について、紹介したいと思います。

海の不思議がわかる「海水カクテル」実験をやってみよう

【用意するもの】

海水カクテル実験では、以下のものを用意します。

• ★食塩：水に溶かす食塩の量を変えることで、塩分の濃い海水（しょっぱい）、薄い海水（あまりしょっぱくない）、塩分を含まない水の3種類を作ります。
  
  
• ★食紅（3種類）：塩分の異なる海水を見分けられるように、それぞれの海水に色を付けます。ただし、この食紅も水にとけると海水の密度が上がるので、溶かす量は3種類とも同じくらいにしてください。食紅がきちんと溶けるように、かきまぜるためのスプーンなどがあると便利です。
  
  
• ★コスメティック・スポイト：注射器のような形をしています。作った海水をグラスの底に静かに入れるために使います。量販店の化粧品コーナーやネットショップで購入できます。
  
  
• ★コップ（3個）とグラス（1個）：塩分と色を変えた塩水を作るためのコップを3個。それらを順番に入れるためのグラスを1個用意してください。

【海水カクテル実験の手順】

まず、3個のコップに3色の食紅をそれぞれ同じくらいの量だけ入れます（写真1）。

それぞれのコップに常温の水を加え、色水を作ります（写真2）。

次に、それぞれの色水に塩を入れます。

それぞれの色水と塩分の濃さの違いは、以下の図1のように変えています。

・赤色が「塩分なし」

・黄色が「低塩分」（あまりしょっぱくない）

・青色が「高塩分」（しょっぱい）の海水

赤色は塩を入れずに水だけ、黄色は塩を少し、青色には塩を多めに入れてかき混ぜます。黄色と青色に入れる塩の量は目分量でかまいません。赤よりも黄色が、黄色よりも青色が重くなるように塩分の差をつければ、この実験はうまくいきます（写真3）。

【濃度の違う海水をグラスに入れる】

3種類の海水をグラスにいれていきます。塩分の低い海水から順番に入れてください。

1：最初に「塩分なし」の赤色の海水をスポイトで吸い取ります。このとき、あらかじめスポイト内の空気を抜いておきます。グラスに注ぐときに泡が立たないようにするためです。泡が立つと、かき混ぜ効果がはたらいてしまうからです（写真4）。

2：次に「低塩分」の黄色の海水を入れます。このとき、グラスの底にスポイトの先端を軽くあてて、ゆっくりとスポイトから押し出すように、静かに注ぐようにしましょう。押し出される水の勢いで、塩分の異なる海水がかき混ぜられないようにするためです。また、塩分の高い海水を、塩分の低い海水の下（グラスの底側）に入れることがポイントです（写真5）。

3：最後に「高塩分」の青色の順番に注いでいきます。やり方は2と同様です。グラスの底にスポイトの先端をあてて静かに注いでいきます（写真6）。

さてグラスに注いだ3種類の海水はどうなったでしょうか？　きれいに3層に分かれれば実験成功です。グラスの後ろに白い紙やボードを立てると、3色の層が観察しやすくなります。

「海水カクテル」ができる理由とその不思議な性質

――なぜ、きれいな3層に分かれたのでしょうか？

塩分が高いほど密度が高くなります。密度が高いということは、同じ量の海水でも、より重い海水となります。

そのため「塩分の高い」の青色は「重たい海水」となり一番下の層に、「塩分の低い」の黄色は中間層となり、「塩分なし」の赤色はもっとも密度が低く軽いため一番上の層になります（写真7）。

この海水カクテルは1日くらい置いていても、きれいな3層のままなんです。これが「深さ方向に海の水が混ざりにくい」という性質をあらわしています。

海水を鉛直方向にかき混ぜるスプーンはない

きれいな層ができた「海水カクテル」のグラスを傾けたり、やさしくゆらしてみてください。少し波打ったとしても、カクテルになっている層は崩れません（写真8・9）。

実際の海でも、海水の密度ごとの層は簡単には崩れないんです。

――たとえば、津波や海底で地殻変動などが起きて、海底から海面まで、海水が大きくゆさぶられることがあると思います。それでも、海水の層は崩れないのでしょうか？

海の表層には黒潮などの海流や潮流といった強い流れがあります。これらは、表層の海水を水平方向にかき混ぜますが、上下方向には混ざりません。

また、津波は海底地殻の上下動が引き起こすものですが、この上下動の振幅は大したことがなく、グラスを揺らしたのと同じようなもので、密度ごとの層にはほとんど影響がないんです。

重力のはたらく方向を「鉛直方向」といいますが、海水は鉛直方向（深さ方向）にかき混ぜられにくいという特徴があります。鉛直方向にかき混ぜるスプーンにあたるものが、海にはないんですね。

海の中でも同じことが起きている！

この図2を見てください。これは、大西洋を船で南北に航海して、海面から海底までの「水温と塩分」を調べる調査を行ったものです。この調査は、世界のさまざまな国の協力で行われました。

まず、横軸は北緯（N）60度から南緯（S）60度付近までで、その距離は1万3000キロメートル以上になります。図の縦軸は海の深さで最深部が6000メートル（6キロメートル）ほどです。この図の色分けは塩分の違いを示しています。図は示しませんが、実際の海洋には温度の違いもあり、実験で作った海水カクテルのように密度の違いによって、海にも層があることがわかると思います。

また、この図では、横軸が南北をあらわしています。雨が少ない中緯度（北緯・南緯20度から40度）付近では塩分が高い傾向があります。さらに、南極付近では南極から流れ出てくる氷が溶けた真水が混ざるので、塩分が低くなります。

図の右側にあるカラーバー（塩分チャート）を見ると、その横に数字が書かれています。「37」は3.7パーセント、「34」は3.4パーセントをあらわします。海洋の塩分は平均3.5パーセント前後なので、その差がわずかだということがわかります。塩分の違いは0.3パーセントほどの狭い範囲です。

「海水カクテル実験」では、3層の塩分にかなり差をつけましたが、実際の海では、わずかな密度の差で海水はカクテルのような層をつくっています。

「水温」も海水の密度を変えている！

今回紹介したカクテル実験では、塩分だけを変えました。じつは、もうひとつ水温も、カクテルの層をつくる要素になります。これは水温も密度に関係するためです。

低温ほど密度が高く、高温ほど密度が低くなります。海水の密度は水温と塩分のバランスで決まるのです（図3）。

図4は、大西洋の温度を調査した観測図です。これを見るとの海面付近では、「極域」と呼ばれる南極や北極付近の水温は低く、赤道付近では高くなっています。しかし、水深2000メートルより深い海になると水温は1から2度と、あまり差がありません。

海水の密度ごとの層の厚さは数百〜数千メートルと薄く、長さは何千キロメートル以上も続いています。海水は鉛直方向に混ざりにくいため、このようなとても薄く長い層ができるのです。

海洋大循環！世界に2ヵ所だけの海水が沈み込む場所

――水温が低いほど密度が高くなるのならば、「海水カクテル」に氷を浮かべると、氷が融けた低温の水は沈み込みますか？

実験で作ったカクテルに、小さな氷をうかべてみるとその様子がわかります。興味のある方は、自分でも行ってみてください。ただし、氷を勢いよく入れるとそれぞれの色水が混ざってしまうので、そっと浮かべることが重要です。

最初に溶かした食塩の濃度にもよりますが、氷がとけた透明な低温の水が、赤色の層の下に沈み込むかもしれません。黄色の層の塩分が低ければ、その下に沈み込むこともあるでしょう。

じつは、さきほど「海を鉛直方向にかき混ぜるスプーンはない」といいましたが、実際の海には、海水が鉛直方向へ沈み込んでいる場所が2カ所だけあります。それが、グリーンランド沖と南極のまわりです。

そこでは寒冷な大気によって海水が冷やされて、低温・高塩分の密度が高く重い海水ができて、深層まで沈み込んでいます。

深層へ沈み込んだ高密度の海水は、おおまかにいえば、海水の密度の低い方へゆっくりと流れていきます。そして長い時間をかけて熱や塩分が周囲へ少しずつ拡散することで密度が低く軽くなり、ごく僅かに上昇していき、元の海域へともどっていきます。

こうして千年規模の時間スケールで循環する海水の流れがあり、これを「海洋大循環（深層循環）」と呼びます（図5）。

この海水の熱と塩の循環は、世界各地の気候など地球環境に大きな影響を与えています。

もう一つの実験「カクテル」が逆になる理由

――さきほどの大西洋の観測図（図2）をよく見ると、「温かい＋しょっぱい」層の下に、「そこそこ冷たい＋あまりしょっぱくない」層があります。塩分だけみると上の層の密度が高いはずです。これは何が起きているのでしょうか？

せっかくですので、それも実験でたしかめてみましょう！それが「エノキダケ実験」です。

エノキダケ実験もやってみよう！

【用意するもの】

• ★常温の水とポットのお湯：お湯はやけどしないように注意してください。
  
  
• ★水槽：ある程度の深さがある容器でOKです。水の状態を外から観察するので、内側が透けて見えるものを使ってください。
  
  
• ★食紅（1色）：食紅は色水を作るために使います。
  
  
• ★色水をつくるためのコップ：実験では、色水を注ぎやすいようにメスカップを使いました。お湯を使うので耐熱性のある容器を使用してください。
  
  
• ★スポンジ：色のついたお湯を注ぐさいのクッションとして使います。
  
  

【エノキダケ実験の手順】

1：まず水槽に常温の水を入れます。これが「そこそこ冷たい＋あまりしょっぱくない」つまり「低温＋低塩分」の海水になります。水をいれたらスポンジを浮かべてください。スポンジは、このあと、色のついたお湯を入れるときに、かき混ざらないようにするクッションの役目です（写真10）。

2：次に、色の付いたお湯を作ります。まず、食紅を熱湯を注いでも大丈夫なコップなどにいれてください。実験では、緑色の食紅を用いました。このとき、食紅が、海水カクテル実験のときの食塩の代わりになるので少し多めに入れましょう。これによって密度が高くなり、「温かい＋しょっぱい」つまり「高温・高濃度」の海水を再現できます（写真11）。

3：食紅を入れたコップにお湯を注ぎます。お湯の温度は少し熱めのほうがうまくいきますが、火傷をしないように注意してください（写真12）。

4：色の付いたお湯（高温・高塩分の海水）を、水槽に浮かべたスポンジへゆっくりと注ぎます（写真13）。

「高温・高塩分」の緑色の海水が、細い指のような形で沈み込んでいくのが観察できます（写真14）。

この沈み込みを「ソルトフィンガー（塩の指）」といいます。私たちは「エノキダケ」とも呼び、この実験を「エノキダケ」実験と名付けました。

――なぜ、エノキダケ状に沈み込むのですか？

ここで重要なのは、熱は塩よりも100倍も速く拡散することです。

この実験では、常温の水に、色のついたお湯（高温の海水）を静かに注いでいます。まず、水温をみると、下層は常温の水なので上層のお湯よりも密度が高く安定していますが、塩分では、上層が高塩分で密度が高く重いので不安定です。

最初は温度が高く全体として安定なのですが、熱の拡散により上層が冷え、だんだん重くなり、いつか不安定になります。もし境界面が完全に平らなら、そのまま拡散が続くだけなのですが、現実にはわずかでも凸凹（でこぼこ）があります。図6に模式的に示しましたが、ほんのちょっとでもくぼみがあると、そこの表面積が広がり、熱の拡散が促進され、その部分が優先的に重たくなり、さらに沈み込みます。

こうして熱の拡散が進むことでエノキダケ状に沈み込むのです。

この実験では観察しにくいのですが、エノキダケ状の湧き上がりも起きます。境界に少しだけ湧き上がった小山ができて、そこで下層の低温・低塩分の海水がどんどん熱を吸収して温められ、密度が低く軽くなり、エノキダケ状に湧き上がるのです。

――実際の海でも、エノキダケ（ソルトフィンガー）は見られるのですか？

はい。地中海では、日差しが強く雨があまり降らないので、海水がどんどん蒸発して「温かい＋しょっぱい」状態になります。その「高温・高塩分」の海水が、ジブラルタル海峡から大西洋に流れこみます。

観測図（図2）の「温かい＋しょっぱい」層のおもな起源は地中海なんです。その下には、地中海の海水に比べて「低温・低塩分」の層があるので、ジブラルタル海峡の沖ではソルトフィンガーが実際に観測されることがあります。

海水はなぜ動く？　その仕組みを調べたい

――古恵さんは、どのような研究をされているのですか。

海水が動く仕組みを調べる研究を行っています。たとえば、日本列島の南岸を流れる黒潮は海面から深さ約1000メートルまでの海水が動いています。なぜ深さが500メートルではなく1000メートルなのか、といった物理的な仕組みを私は知りたいのです。

そのために、計算機を用いたシミュレーションや理論計算を行っています。

最近では、JAMSTECで海底地震の観測を行っている研究者からの依頼で、台風の通過が海底付近にどのくらい影響を及ぼすのかを計算しました。

さきほど、津波で海水がゆらされたとき、層が崩れないかを「海水カクテル」実験でたしかめましたが、実際の海も台風の強い風によって海面がゆらされます。その影響で海底付近の水圧がどれくらい変化するのかを計算したのです。

――なぜ、地震観測で海底の水圧の変化を知る必要があるのですか？

海底にある地震計は、水圧の変化を介して海底の地殻変動を調べるからです。地殻変動により海底が上下に変動すると、水圧も変化します。海底が上へ隆起すると、そのぶん、海底から海面までの距離が短くなり、地震計の上にのっている海水は少なくなるので水圧は下がります。海底が下へ沈降する場合には、逆に水圧は上昇します。このようにして水圧の変化によって、地殻変動を計測するのです。

ところが、海底付近の水圧を変化させるのは地殻変動だけではありません。台風の通過によって海面がゆらされて、その影響で海底付近の水圧が変化する可能性があります。海底圧力計で地殻変動を精度よく計測するには、台風の影響でどれくらい水圧が変化するのかを知っておき、そのぶんを差し引く必要があるのです。

そこで、台風の通過により海底付近の水圧がどれくらい変化するのかを精密に計算してみました。すると海面の盛り上がりと台風の低気圧が相殺（そうさい）されることで、海底付近の水圧はほとんど変化しないことがわかりました。

海流にはカオスが潜んでいる！

海水の動きは、何千キロメートルにも及ぶ海流からメートル単位の小さな渦まで、スケールがさまざまです。しかも、そのスケールの異なる現象が影響し合っています。それを計算機の中に再現して仕組みを理解するのはとても難しいのですが、難しいからこそ面白いのです。

海流がカオスの性質を持つことも、理解が難しい理由の一つです。じつは、海流がカオスの性質を持つことは、最近になってたしかめられ始めました。

――カオスとは何でしょうか。

図7の左側は、大気の流れを表す方程式を簡略化したものです。現在の状態から将来の大気の流れを方程式で計算して予測します。そのとき現在の状態（初期条件）として、たとえば風や気圧配置などの数値を方程式に入れます。

ところが方程式に入れる初期条件の値がほんの少し違うだけで、大気の流れにともなう物体の運動は右図のようにまったく異なる軌道を示します。このように初期条件がわずかに違うだけで将来の予測が困難になる性質がカオスです。

台風の進路もカオスの性質があります。台風の進路に影響を与える風や気圧配置などの初期条件を100パーセント正確に観測することは不可能です。そこで初期条件を少しだけ変えたシミュレーションを複数回行います。すると台風はさまざまな進路をとります。

天気予報で台風の通過する経路の予測を見ることがあります。あの台風の予報円は70パーセントの確率で台風の中心が進む範囲を示しています。

10通りの初期条件のシミュレーションを行ったとすると、7通りは台風の中心が予報円を通過することを示しています。予報円が大きいのはシミュレーションの予測精度が悪いからではなく、台風の進路にはカオスの性質があるからです。

以前から、海流にもカオスの性質があると予想されていました。しかし、実際の海洋で、現在の流れがほんの少し変わったら将来がどう変わるかを調べることはできないので、観測によって海流にカオスの性質があるかどうかをたしかめることは不可能です。

そこで計算機で初期条件を少しだけ変えた複数のシミュレーションを行う必要があります。ただし海流の変動はゆっくりと起きることが多いので、長期間のシミュレーションが必要で、計算量が膨大になります。

計算機の高速化により、その膨大な量の計算が最近になってできるようになってきたのです。

私たちも最近、太平洋からインドネシア諸島を通過してインド洋へ注ぐ海流である「インドネシア通過流」のシミュレーション研究を行いました。その年平均の流量は太平洋に吹く風によってほぼ決まっていますが、そこにカオスの性質が潜んでいるかどうかをたしかめたのです。

そのために、3分ごとの時間間隔で50年間にわたる計算を行いました。1種類の初期条件で50年間の海流を再現するのに、JAMSTECのスーパーコンピュータ「地球シミュレータ」で数ヵ月間もかかる計算量でした。

私たちは初期条件をわずかに変えた10種類の計算を行いました。すると年平均の流量が5％ほど変動しました。インドネシア通過流にもたしかにカオスの性質がありますが、その変動幅は比較的小さいという結果になったのです。

ただし、今回よりも高解像度のシミュレーションを行い海水の小さなスケールの現象まで再現すれば、年平均の流量の変動幅は大きく、カオスの性質が強くあらわれるかもしれません。

小さな渦などがカオスの性質に影響を与えている可能性があるからです。やはり、ここでもスケールの異なる現象が影響し合っているのです。

海水の動きの新しい現象や仕組みを見つけたい！

――いま、どのようにご研究を進められているのでしょうか。

海水の動きには、今回の実験で観察したエノキダケ（ソルトフィンガー）のようなおもしろい現象や仕組みがあります。コンピュータの中で海水の動きを再現して、未知の現象や仕組みをぜひ発見したいですね。

海洋大循環や海流などの海水の動きは、気候変動や温暖化など地球環境を左右しています。海水の動きに関する新しい現象や仕組みの発見は、地球環境の理解や気候変動の予測精度の向上にも貢献できるかもしれません。

取材・文：立山 晃／フォトンクリエイト  
撮影：神谷美寛／講談社写真部  
取材協力：付加価値情報創生部門 アプリケーションラボ 古恵亮

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