◉特 集 ◉まわる
鳴門海峡の渦潮はなぜ起こるのか？
● 著者略歴 ●1998 年東京工業大学・博士（工学）。
運輸省港湾技術研究所（現国立研究開発法人 海上・港湾・航空

神戸大学 大学院工学研究科市民工学専攻教授

内山技術研究所）、米国カリフォルニア大学ロサンゼルス校地球惑星物理学研究所を経て 2011 年より神戸大学、2015 年から現職。
専門は海岸工学・海洋物理学・海洋モデル、趣味は旅行とサウナ。

雄介

１．海の中の「まわる」と渦潮べることで表面温度のコントラストとしてはじめて可海の中にも「まわる」ものはたくさんあります。一視化できます。そんな中で、我々日本人に馴染み深い、番規模の大きなものは海洋循環流でしょうか。例えば

海の「まわる」ものの一つに鳴門の渦潮が挙げられる

北太平洋を例にすると、赤道のやや北を西進する北赤かもしれません。淡路島と徳島を結ぶ鳴門海峡で見ら道海流がフィリピンにぶつかって北上して黒潮となれる渦潮は世界でも有数の大きさと強さを誇る珍しいり、台湾、沖縄を通って房総半島沖で東に進み、アメ海洋現象で、船や橋の上から目視観察できるほどはっリカ西海岸にぶつかって南下するカリフォルニア海流

きりとした渦構造であるため、古来から人気の観光スとなり、それが赤道の北側で西に転じて北赤道海流にポットにもなっています（図 -1）。本稿では、鳴門海なります。この北太平洋の南半分を時計回りにぐるり峡で発生する渦潮がどうして世界最大級になるのか、とまわる一連の大きな流れは「北太平洋亜熱帯循環

その発生メカニズムについて紹介したいと思います。

流」と呼ばれます。それ以外にも、海洋には直径数２．鳴門海峡の地質的条件と渦潮の価値100 km の「中規模渦」と呼ばれる渦巻き構造がたくさんあります。大気中の渦である台風とよく似た海洋

淡路島と四国徳島を隔てる鳴門海峡は、瀬戸内海のの中規模渦ですが、残念ながら人間の目で直接観察す東側にある播磨灘と紀伊水道とを接続する最小幅約ることは不可能で、人工衛星で海面の水温の分布を調

1.3km のとても狭い海峡です（図 -2）。2 つの突き出た岬に挟まれた海峡中央付近は全体的には V 字型海底渓谷となっていますが、海峡最狭部はその南北に広がる海域と比べて水深は約 80m と非常に浅くなっています。これに対して最狭部の北側には水深 151 m お
よび 216m の 2 ヶ所と、南側には水深 164m の 1 ヶ所の計 3 ヶ所に窪地（深み）があります。淡路島側にはリアス式海岸線を構成する浅瀬および岬と浅瀬が顕著に見られるのですが、これらは和泉層群の砂岩優勢層と呼ばれる比較的固い地質に対応します。一方で、徳島側の比較的直線的な海岸や窪地は、浸食に対して脆い泥岩優勢層に対応しています。これらの地質条件によって鳴門海峡付近の海岸・海底地形は極めて複雑に

図 -1：鳴門の渦潮。

なっています。このような特殊な地形条件から生まれ

左：歌川広重による「六十余州名所図会阿波鳴門の風波」

る強くて複雑な海の流れに伴って、有名な「鳴門の渦（1853‒1856）、 右： 鳴 門 の 渦 潮 の 空 中 写 真（Mantokun,潮」が恒常的に生成されています。

2009）。いずれも Wikimedia Commons 提供。

渦潮の景観は歌川広重の「六十余州名所図会阿波鳴−1−

４．メカニズム 1：潮汐波の 2 つの経路計算された水位の時空間分布を「調和解析」という手法を使って様々な潮汐成分に分解して分析したとこ
ろ、淡路島周辺海域において最も振幅が大きいのは
M2 分潮（月の引力によって起こる潮汐成分で、12.42時間の周期で干満を起こし、日本の太平洋沿岸では一般に振幅が最も大きい）であり、M2 による水位変動はまず外洋で発生したあと紀淡海峡から大阪湾へ侵入し、明石海峡を通過して反時計回りに淡路島を周回する経路 A と、紀伊水道から直接鳴門海峡へ至る経路
B を取る 2 つの波に分解されて伝播し、鳴門海峡で邂逅することがわかりました（図 -3、4）。
二つの経路を通った M2 分潮の鳴門海峡における到図 -2：鳴門海峡周辺の水深分布。

達時間の差は 2.5 時間で、経路 A の方が経路 B より門之風波」を始め、多くの浮世絵・絵画等のモチーフも 2.5 時間遅れて鳴門海峡へ到着すると見積もられまになるなど、高い文化的・経済的価値があるとされてした。紀伊水道を出て紀淡海峡から淡路島東岸、明石います。
この類まれなる渦潮の景観を世界遺産登録し、海峡、淡路島西岸を経て鳴門海峡へと至る反時計保護・保全するための官民による活動が精力的に行わ回りの経路長は約 130 km です。経路 A 上の平均水深れています（例えば、兵庫・徳島「鳴門の渦潮」世界約 20m を用いると理論的に求められる M2 潮汐波の遺産登録推進協議会など）。このような活動の中で、世界遺産登録に向けて推進するべき活動の一つに渦潮の価値を定量化するための科学的データの蓄積が挙げられ、私たちの研究チームでも鳴門の渦潮に関する海洋科学的な研究を進めてきました。

３．渦潮のコンピュータシミュレーション
ここでは私たちが行なったスーパーコンピュータを用いた海洋流動に関する数値シミュレーションによって明らかになった、鳴門の渦潮の発生メカニズムにつ

図 -3： 瀬戸内海における M2 分潮成分の位相（角度）分

いて詳しく説明します。シミュレーションの詳細はか布。鳴門海峡の北側は赤系色、南側は黄系色で、位相差（角なり専門的になりますのでここでは触れませんが、興度差）は 71 度。これを時間に換算すると約 2 時間半とな

味のある方は 2020 年に発表された私たちの研究論文る。備讃瀬戸や来島海峡でも位相差が大きく、鳴門海峡（doi:10.2208/kaigan.76.2̲I̲97）をご参照下さい。と同じような状況が生まれやすいことが分かる

渦潮の発生にとって最も重要となる現象は「潮汐」です。潮汐とは主に月と太陽の引力によって起きる海面の昇降現象で、1 日に 1 〜 2 回のゆっくりした海面の昇降として海岸などでみられます。「潮の満ち引き（干満）」のサイクルでは、海水面が上昇しきった満潮や、下降しきった干潮などが発生しますが、干満が発生するタイミングは場所によって変化します。このとき、潮汐によって海面が上がった場所から下がった場所へと海水が流れ、地形が狭い場所に寄せ集められるために、海流が生まれます。これを潮汐流（あるいは図 -4：外洋から入射する潮汐波の二つの経路。経路 A は潮流）と呼び、鳴門海峡ではこの潮汐流がとても強く淡路島を周回するぶん経路 B よりも鳴門海峡への到着がなることがよく知られています。

2.5 時間遅れる。Google Earth から作成。
−2−◉特 集 ◉まわるスピード（波速）は毎分約 0.84 km になります。する

れば、流れの加速度（速度の時間変化率）は、水位のと経路 A の所要時間は 130 ÷ 0.84 = 約 155 分と見積空間勾配に比例します。つまり大きな水位差が短い区もられ、約 2 時間半が妥当な数字であることが簡単に間で起こると流れは強く加速されるという理屈になっ証明できます。ているのです。北から南方向への水位低下は実際には鳴門海峡のすぐ近く、水平距離でいうと高々 500 m く

５．メカニズム 2：
海峡南北の水位差と潮流の強化

らいの区間で顕著になっています（図 -5）。海峡のすぐ近くに水位変化が集中しているのは鳴門海峡の地形

潮汐伝播の時間差 2.5 時間によって、鳴門海峡の南条件が強く関与していて、深くて広い水瓶のような窪北（図 -2 の点 A，B）では、南側の点 B で水位が低みがとても狭くて浅い海峡の南北にあるため（図 -2）、下しているのに北側の点 A では水位が高い状態にあ海峡部に流れが過度に集中してしまうことが原因です。

るなど、大きな水位差が発生します。点 A-B 間の水図 -6 は鳴門海峡周辺における表層流の状況を可視

位差は -1.0 m から +0.7 m 程度の範囲で変動し、干満化したものです。（a）は M2 分潮の潮流楕円（時々差が最大となる大潮期ほど水位差が大きくなります。

刻々変化する潮流の強さと方向をベクトル [ 矢印 ] で

図 -5 は縦横比が誇張されて描かれていますが、この表示し、基点をそろえたときにその先端が描く曲線）、時の南北間の水位差は約 1.3 m にもなることが分かり（b）は時間平均された表層流速（残差流と呼びます）ます。水は高いところから低いところへ流れ、しかもで、海峡を通過するときに流れ（潮流）が強化される

高低差が大きいほど流れが速くなりますので、この南こと、その空間分布は南北に非対称となることが分か

北の水位差によって鳴門海峡の流れが強くなることはります。播磨灘方向への流れは左斜め上約 45 度方向

直感的に理解できるのではないでしょうか。に発達する集中したジェットのような構造が目立ちまもう少し専門的な説明をすると、物理学の法則によすが、紀伊水道方向へ流れは互いに反対回りする水平循環流の双子構造が現れています。潮流楕円は平均流分布に対応しており、北側のジェット領域では直線的、南側では円に近い形状となっていることが確認できます。これらの流れの構造は 2. で説明した複雑な海底地形分布の影響を強く受けて形成されたものであることが分かりました。

６．メカニズム 3：
シア不安定機構による渦の発生
複雑な海底地形分布の影響を受けながら、鳴門海峡
図 -5：大潮期（干満差が最大になる時期）における点の中央部付近で発達する潮流によって、強い正負のA-B（図 -2 参照）間の水位偏差分布。

渦度が発達することが図 -6（c）に示されています。

図 -6：鳴門海峡における海洋表層の流れの状況。左（a）：M2 分潮の潮流楕円、中央（b）：時間平均された流速（絶対値）の空間分布、右（c）：渦の強さと回転方向を表す「（無次元相対）渦度」という物理量の空間分布の一例。赤は反時計回り、青は時計回りの渦度であり、矢印は表層流速をベクトル表示したもの。
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普通の人には馴染みが薄いですが、「渦度」とは渦を渦潮の発生メカニズムを特定するために、「渦運動直接的に評価する量で、数学的には流れのベクトルのエネルギー収支解析」という方法で調べたところ、こ回転（rotation, curl）を求めると得られ、物理的にはれらの強い渦は水平流速によるシア不安定という機構

水がその場で回転する強さ（正確には角速度× 2）をで形成されていることが判明しました。シア不安定と回転方向とともに与える量です。 鳴門海峡では上げは、流れの強さの空間的な差異によって、強い流れか潮・下げ潮に伴って約 6 時間ごとに流れの向きが北西ら弱い流れの方向に回転運動が生じて、それが徐々に方向から南東方向へと交互に発達しますが、時間変化渦に発達していく機構（図 -7 上参照）で、自然界でする流れの下流側に渦が交互に発生します。

は比較的よく見られる流体現象です（図 -7 下）。鳴門

図 -6（c）は表層における無次元相対渦度分布の瞬の渦潮の場合は、淡路島の存在によって海峡南北での間値の一例で、上げ潮時（北西方向の流れ）に対応し潮位差がとても大きくなること、複雑な地形条件にています。海峡の狭窄部から北向きにジェットが発達

よって海峡のすぐ近くで非常に強い潮流が発達するこし，その外縁部や地形周辺を中心に多数の渦が発生しと、この潮流が複雑に空間分布することでシア不安定ていることが分かります。無次元相対渦度の絶対値

機構によって渦が発達しやすい条件下にあること、なが 1 を超える渦は海洋では強い渦と言われますが、鳴どの好条件がいくつも重なった結果、ユニークで類ま門の渦潮を構成する渦の渦度は 10 を軽く超えており、れなる自然現象・自然景観となったと結論づけられ尋常ではない強さを持っています。潮流の主流部、そます。の周辺の減速域、あるいは海岸周辺を中心に数 10 m７．おわりにから数 100 m のサイズ（直径）を持つ渦が多数発生しています。シミュレーションモデルの水平解像度は鳴門の渦潮は自然景観としての美しさもさることな20 m ですので、これより小さなサイズの渦は直接表がら、海の環境にとっても特別な役割を果たしていま現できませんが、これらの強い渦の集合体として鳴門す。私たちのシミュレーションによれば、鳴門海峡にの渦潮が構成されていることが示されました。

発達する渦潮の直下では、海峡の中央部で沈み込み、両岸の海岸付近で上昇流になるような鉛直循環流が発達していて、そこでは極めて効率的な鉛直混合が生じていることが分かりました。このような鉛直混合は、表層の酸素を底層に送りこんだり、反対に栄養が豊富な深層水を表層に供給したりするため、水産業や海洋生態系に対して大きな恩恵をもたらします。また、渦潮や潮流が有する南北に非対称な構造によって、鳴門海峡では平均的には南向きの海水流出が卓越していることも分かりました。つまり、鳴門海峡は海水や水質・生物に関連する物質について、播磨灘から紀伊水道（ひいては外洋）への流出を促進させる排水ポンプのような機能があるということなります。ちなみに播磨灘の出入り口を構成する 3 つの海峡のうちの残りの2 つである備讃瀬戸と明石海峡は、いずれも播磨灘の外側の海域（燧灘と大阪湾）から播磨灘へと海水を流入させていることも同時に明らかになりました。
冒頭で紹介した海洋循環流は北太平洋スケールでの海水交換を、中規模渦は数 100 km スケールでの海水混合を、渦潮は数 10 km の湾灘スケールでの環境調

図 -7：上：鳴門海峡周辺の表層流れの分布と渦の発生機整役を担っており、海の中の「まわる」は海洋環境、構の説明（図 -6b と Google Earth から作成）。

ひいては地球システムに対して重要な役割を果たして下：雲によって可視化された大気中のシア不安定渦列いるのです。

（Wikimedia Commons・GRAHAMUK 提供）。
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