自然のちから学

潮汐発生の物理メカニズム：天体引力、慣性力、地球の応答

Tags: 潮汐, 海洋物理, 地球物理, 天文学, 流体力学

潮汐とは何か：周期的な海面変動

潮汐とは、主に月や太陽の引力によって引き起こされる海面（水位）の周期的な昇降現象です。この現象は、海岸線における潮の満ち引きとして観測されるほか、地球上のあらゆる液体や固体部分にも作用しており、「固体潮汐」や「大気潮汐」としても知られています。本記事では、特に海洋における潮汐、すなわち天文潮汐の発生メカニズムを物理学的な観点から掘り下げて解説します。

潮汐は、地球上の特定の場所で毎日ほぼ同じ時刻に繰り返され、その周期や潮位差は場所によって異なります。この周期性と規則性は、背後にある物理法則に基づいています。

潮汐力の発生：引力と慣性力の合力

潮汐を引き起こす根本的な力は、月や太陽といった天体が地球に及ぼす「潮汐力」です。潮汐力は、単に天体の引力そのものではなく、「地球上の場所によって引力の大きさと方向が異なることによって生じる力の差」、あるいはより正確には「天体の引力」と「地球と天体の共通重心周りの公転による慣性力（遠心力）」の合力として定義されます。

月の引力と距離依存性

月が地球に及ぼす引力は、万有引力の法則に従い、月と地球上の物体間の距離の2乗に反比例します。つまり、月に近い地点ほど引力は強く、遠い地点ほど弱くなります。地球は球体であり、その表面上の各点から月までの距離は一様ではありません。月側の表面は中心よりも月に近く、月と反対側の表面は中心よりも月から遠くなります。この距離の違いが、地球上の場所による引力の差を生み出します。

地球と月の共通重心周りの公転と慣性力

地球と月は、単に月が地球の周りを回っているのではなく、地球と月からなる系全体の共通重心の周りを共に公転しています。この共通重心は、地球の内部、地表から約1700kmの深さに位置します。この公転運動に伴い、地球上の全ての点には、月からの距離に関わらず、この共通重心からの遠心力が発生します。地球全体が一つの物体として公転しているため、遠心力は地球上のどこでもほぼ同じ大きさで、共通重心から離れる向き、すなわち月と反対の方向に向かって作用します。

潮汐力の導出

潮汐力は、地球上の各点で作用する「月の引力」と「地球の公転による慣性力（遠心力）」のベクトル的な合力として考えられます。

これらの力の分布により、地球の月側の面と月と反対側の面で海面が持ち上げられるような力（起潮力）が作用し、月の方向とそれに垂直な方向で海面が押し下げられるような力（沈降力）が作用することが理論的に導かれます。この結果、地球の月側と月と反対側にそれぞれ海水の膨らみができるような力が働きます。これが「双子の膨らみ」を生み出す基本的なメカニズムです。太陽も同様に地球に潮汐力を及ぼしますが、距離が遠いため、その大きさは月の約半分程度です。

静的潮汐平衡論と現実の潮汐

静的潮汐平衡論

最も単純な潮汐のモデルとして、「静的潮汐平衡論」があります。このモデルでは、地球全体が無限に広く、水深が一定で、粘性のない液体で覆われていると仮定します。この仮定のもとでは、上記の潮汐力によって海水面は常に潮汐力と釣り合うような形状（双子の膨らみを持つ楕円体のような形状）に変形すると考えられます。

このモデルに基づくと、月が地球の周りを回るにつれて、月と地球の自転によって地球上の観測点は一日（より正確には約24時間50分）に2回膨らみの下を通過し、2回の満潮と2回の干潮が起こることになります。太陽の影響を考慮すると、月と太陽の潮汐力が強め合う時（朔・望、大潮）と弱め合う時（上弦・下弦、小潮）があることも説明できます。

動的潮汐論：地球の自転と地形の影響

しかし、実際の潮汐現象は静的潮汐平衡論だけでは説明できません。地球には大陸があり、海洋の深さは一様ではなく、海水には粘性があり、地球は自転しています。これらの要因が潮汐の挙動に大きく影響します。

現実の潮汐を説明するためには、「動的潮汐論」が必要です。地球の自転速度は潮汐波が静的な平衡形状を維持しようとする速度よりもはるかに速いため、海水は潮汐力に即座に追従することはできません。潮汐力によって励起された潮汐波は、海洋を伝播していきますが、その伝播速度は水深によって制限されます（浅水波の速度 $v = \sqrt{gh}$、ここで $g$ は重力加速度、$h$ は水深）。大陸や海底地形は潮汐波の伝播を妨げたり、反射や屈折、干渉を引き起こしたりします。

特に、湾や海峡などの閉鎖・半閉鎖的な水域では、潮汐波が固有の周期で共振することがあります。潮汐力の周期がこの固有周期に近い場合、潮位の昇降が大きく増幅されることがあります。例えば、カナダのファンディ湾では、地形と潮汐周期が共振し、世界でも有数の潮位差（最大約16メートル）が生じます。

また、地球の自転によるコリオリ力も潮汐波の伝播に影響を与え、北半球では潮汐波が進行方向に対して右向きに、南半球では左向きに曲がることがあります。これにより、広大な海洋では潮汐波が特定の点を中心に回転するような運動（高潮点）を示すことも観測されています。

これらの動的な効果が複合的に作用し、各地点の潮汐の種類（一日に満干がほぼ2回の半日周潮、ほぼ1回の日周潮、これらが混在する混合潮など）や潮位差、満干の時刻などが決定されます。

潮汐の観測と予測

潮汐の観測は、主に海岸や港湾に設置された検潮儀（験潮儀）によって行われます。検潮儀は、一定間隔で水位を自動的に記録します。得られた潮位データは、潮汐の構成要素である様々な周期を持つ分潮（例えば、月の平均的な潮汐力を表すM2分潮、太陽の潮汐力を表すS2分潮など）に分解する「潮汐調和分析」に利用されます。

潮汐調和分析によって得られた各分潮の振幅や位相の情報を用いることで、将来の任意の時刻における潮汐を精度良く予測することが可能になります。近年では、人工衛星による海洋表面高度の精密な観測データも、潮汐モデルの構築や検証に活用されています。

まとめ

潮汐は、月や太陽の引力と地球の公転による慣性力の合力である潮汐力によって引き起こされる現象です。この潮汐力が、地球の自転、大陸や海底地形、水深などの動的な要因と複雑に相互作用することで、各地固有の多様な潮汐パターンが生み出されています。潮汐に関する科学的な理解は、航海、漁業、沿岸域の工事や防災など、様々な分野において基礎的な情報として活用されています。