遠州灘海岸で見られる風紋の形態と成因 その２

１ 研究の動機と目的
昨年度の研究では遠州灘海岸で見られる風紋の形について明らかにしたが，これが全国で見られるどの風紋でも共通した性質であるのかは不明であった．
そこで今年度は駿河湾の相良海岸や山陰の鳥取砂丘の風紋と比較をすることにした．また，風紋の成因については，風洞実験やパソコンによるシミュレーションを参考にして多面的に追究していくことにした．さらに，遠州灘海岸の風紋を作る砂の起源について，流れ込む河川の砂や地質図と比較をして推定することにした．

紋の波長 a が変化しても，∠A,B,C の値に変化がな
く，３個所の値もほぼ等しい．したがって，地域が異なっても形成される風紋の断面形はほぼ同じであることがわかった．また，∠Ｂよりも∠Ｃの方が大きいことから，風上側の斜面は緩やかで風下側の斜面は急であることが分かる．

図２ 浜岡砂丘（遠州灘）

写真 1２

中田島海岸で見られる平行型風紋

風紋の形

遠州灘海岸の風紋の断面の形が他の地域の海岸でも共通な性質であるかを検討するため，日本最大の鳥取砂丘や駿河湾の相良海岸の風紋と比較した．
図３ 鳥取砂丘（山陰海岸）

風向

角度A、 B、 C と波長aの関係

角度（°）

200

図１ 風紋の断面形の要素

150
角度A
角度B角度C

100500

方法は定規で風紋の波長 a，斜面 b，c，波高 h（図0１）を測定し，次に，それら a，b，c，h の値と余50100
波長a（ｍｍ）

弦定理の公式を用いて∠A，B，C を求めた．図２は

図４ 相良海岸（駿河湾）

浜岡砂丘，図３は鳥取砂丘，図４は相良海岸の結果，表１は 3 個所の値を比較したものである．図より風1150

表１ 各海岸の風紋の形の比較 （斜面ｂ，ｃは波長を１とした時の値を示す）
地域
遠州灘
駿河湾
山陰海
平均

３砂丘名浜岡砂丘
相良海岸
鳥取砂丘

波長ａ1.00
1.00
1.00
1.00

斜面ｂ0.250.28
0.250.26

斜面ｃ
0.75
0.72
0.79
0.75

風紋をつくる砂の特徴

角A
166.7°
170.0°
167.3°
168.0°

角B
3.3°
2.7°
2.8°
2.9°

角C
9.8°
7.2°
9.9°
9.0°

実体顕微鏡で 100～200 粒程度鉱物分析を行った．

昨年度は，風紋の縞模様を観察したところ砂の色

その結果，中田島砂丘の風紋は，風上側の斜面ではや粒径が異なることに気づき，「風紋は砂の大きさや磁鉄鉱などの黒色の磁性粒子，峰では黒色岩片，風種類の違いによってできる」という仮説を立て，風

下側の斜面では白色岩片や石英・長石が多く含まれ紋を作る砂の粒径や鉱物組成を調べた．このとき，ていた．故に風紋表面の明るさの違いの原因は，鉱風紋を風上側の斜面と風下側の斜面の２つに分けて物組成の違いであることがわかった．また，鳥取砂検討した．しかし，よく観察すると斜面の位置によ丘の風紋も斜面によって鉱物組成の違いが見られた．っても，砂の粒径や鉱物組成に違いがあることに気しかし，中田島砂丘と異なり鳥取砂丘では白色やオが付いた．そこで，今年は斜面を細かく分割して，レンジ色の粒子が多く含まれていた．このため，鳥粒径や鉱物組成について再検討し，砂の形について

取砂丘では中田島砂丘のような白と黒のはっきりとも調査を行った．

したコントラストが見られなかった．

(１)風紋表面の明るさ
まず，風紋表面の色調の濃淡を調べるために明るさを調べた．方法は風紋をデジタルカメラで影が入らないように撮影し（写真２参照），画像処理ソフトを用いて明度を測定した（図５参照）．この結果，風紋の谷と風上側の斜面，峰は暗く，風下側の斜面は明るくなっていることが分かった．

峰谷

80%

鉱物の割合

谷

斜面別鉱物組成（中田島砂丘）

100%

60%

40%20%峰

0%

風上側の斜面

石英
黒色岩片
赤色岩片

峰長石
磁性粒子
黒雲母

風下側の斜面

白色岩片
緑色岩片
シソ輝石

図６ 中田島砂丘の風紋の鉱物組成

写真２ 明るさの分析に使った風紋の写真
100%

斜面別鉱物組成（鳥取砂丘）

鉱物の割合

80%
60%
40%
20%
0%
風上側の斜面
石英黒色岩片オレンジ長石

長石
磁性粒子
シソ輝石

峰

風下側の斜面
白色岩片
オレンジ岩片緑色岩片

図７ 鳥取砂丘の風紋の鉱物組成

図５ 風紋表面の明るさの変化(２)風紋をつくる砂の鉱物(３)風紋をつくる砂の粒径

次に明るさの変化の原因は鉱物組成にあると考え次に，風紋の谷や峰の位置による粒度の違いを調

鉱物分析を行った．方法は部分別に砂を採集し双眼べた．方法は風紋の表面の砂をセロファンテープで採取し，５㎜毎に顕微鏡写真に撮った．そして，画2

子はビデオカメラとデジタルカメラで撮影した．

面上での粒径を定規で測り，縮尺を用いて実際の砂の粒径を求めた．図８はその結果である．峰に粗い砂が集まり，峰から離れるにつれて，粒径が小さくなっていた．また，風上側の斜面の平均粒径は 0.34ｍｍ，風下側の斜面の平均粒径は 0.41ｍｍで，風下側の斜面のほうがわずかに粗くなっていることが分かった．

図９ 風洞装置全体図
谷峰

谷(１)砂の軌跡
始めに，粒径ごとの砂の動き方を調べることにした．方法はパソコンでビデオをスロー再生し，画面にＯＨＰシートをはって砂の軌跡を記録した．この結果，細粒砂はほとんどが吹き飛ばされて移動していた．そのうち，砂の表面を転がって移動したものは，ほぼ風上側の斜面に集まっていることが確認できた．中粒砂では転がって移動し，峰付近で止まるものと峰を越えて風下側の斜面で止まるものとがあった．粗粒砂は，細粒砂が吹き飛ばされて埋もれていた粗粒砂が砂の表面に出てきても，ほとんど動かず，動いたものも峰で止まるか，風下側の斜面で止まっていた．
(２)砂の動く速さ
次に砂の動く速さを求めた．方法は画面上での砂の動いた距離と動いたコマ数を数える．1 コマが 1／30 秒であることと，縮尺を用いて砂の動く速さを求めた．この結果が図 10 である．平均速度は細粒砂が 15．0m/s，中粒砂が 8.52m/s，粗粒砂が 2.66ｍ/sとなった．したがって，粒径が大きくなるにつれて遅くなり，動きにくくなっていることが分かった．

1.20

粒径（ｍｍ）

1.00
0.80
0.600.40

最大値

0.20

大きい粒径から１０個並べたときの平均値0c
1. m0c
2. m0c
3. m0c
4. m0c
5. m0c
6. m0c
7. m0c
8. m0cm0.00

谷からの距離（ｃｍ）

図８ 粒経の変化（４）風紋をつくる砂の比重
風紋をつくる砂の比重が異なるのではないかと思い，比重瓶を用いて，比重測定を行った．この結果，比重は風上側の斜面で 3.47，峰で 2.84，風下側の斜面で 2.68 となった．風上側の斜面の比重が大きい原
因は，比重の大きい磁性粒子がたくさん含まれているためと考えられる．また，峰と風下側の斜面にはあまり差がなかった．
（５）砂の形
風紋の砂の形が砂の転がり易さや跳び易さに関係するのではないかと予想し，砂の円摩度を調べた．
方法は砂を双眼実体顕微鏡を通してデジタルカメラで撮影し，Krumbein（1941）の円摩度印象図と比較して円摩度を求めた．その結果，全体を通して，円摩度は 0．3～0．5 の範囲に入り大きな差はなかった．
平均円摩度も，風上側の斜面が 0．41，峰が 0．44，風下側の斜面が 0．41 とほぼ同じ結果となった．従って，円摩度は風紋の形成には大きな要素になっていないことが考えられる．しかし，詳しくみると風上側の斜面の黒色岩片はやや丸く，峰の黒色岩片は角張っている傾向がみられた．

図 10 粒径別砂の動く速さ(３)砂の分布
最後に風紋上の砂の分布を調べた．方法はデジタルカメラで撮った写真を，画像処理ソフトを用いて図の特定の色を明るくし，その他の色を暗くする．
そして，明るさの変化を測定し，比較する．その結果，細粒の砂は，谷から峰の手前までの風上側の斜面に集まっており，中・粗粒の砂は風紋の峰付近と風下側の斜面に集まっていた．これは野外観察でわかった粒度組成の結果と一致していた．

４ 風洞実験による砂の動き
今年度は風洞装置（縦 1.38ｍ横 0.47ｍ高さ 0.46ｍ，図９）を製作して砂の動きを粒径別に詳しく検討した．風洞実験の方法は風洞装置の底に砂を敷き詰め，大型扇風機で風を送る．このとき，砂丘と同じように細粒砂を投入し，砂を補充する．実験の様3のがある．転がった粗粒砂はすでに安定して止まっ(４)砂の動きのまとめ
以上のことから，細かい砂は速い速度で吹き跳ばされて，風上側に堆積する．一方，粗い砂は動きにく
く，動いても遅い速度で転がり，峰付近と風下側に堆積することがわかった．これを図示したものが図11である．ている粗粒砂の付近に集まり，峰を形成していく．

図 14 第３段階のモデル
第４段階（図 15 参照）：最後に，止まった粗粒砂のつくる峰に，動いた細粒砂や中粒砂がぶつかって堆積していく．このとき細粒砂は動きやすいため，一度止まっても，再び動き始めるものが多い．そのた

図11 砂の動きのモデル

め，中粒砂が主となって，峰の周りに堆積していく．

５ 風紋の形成モデル
以上の結果をもとに，中田島砂丘での風紋形成の特に細粒砂は動きやすいため，風で大量に動かされ，モデルにまとめた．

やかな斜面を形成していく．しかし，風下側の斜面

第１段階（図 12 参照）：風の吹かない無風状態のモでは，細粒砂は軽いために，峰付近の部分を吹く風デルで，細粒砂，中粒砂，粗粒砂が均等に分散してによって，飛ばされたり，大きく転がされてしまっいる．

たりして，通り越してしまい，風下側の斜面に堆積

風上側の斜面にぶつかって堆積し，図 15 のように緩する量は少ない．一方，中粒砂は細粒砂に比べて重いことから，峰を吹く風を受けると風下側の斜面に転がり，堆積していく．また，粗粒砂はより動きにくいので，動く砂の量は細粒砂より少ない．そのため，堆積する砂の量は風下側より，風上側が多くなるため，風上側が緩やかで風下側が急な斜面を形成する．以上のことから，風紋は形成されると考えた．

図 12 第１段階のモデル
第２段階（図 13 参照）：まず，風紋が動き始める４～６ｍ/ｓの風が吹くことによって砂表面の細粒砂が転がったり，飛んだりし始める．すると，図 13のように，埋もれていた中粒砂，粗粒砂が地表面に出てくる．

図 15 第４段階のモデル

６

風紋形成のシミュレーション

野外観察や風洞実験の結果をもとに，風紋をつくる砂の運動を「跳ぶ」と「転がる」の二つの要素に分けて，Ｃ言語によるプログラムを作成した．プロ
図 13 第２段階のモデル

グラムの実行結果が図16～19である．図のとおり，第３段階（図 14 参照）：次に，地表に出ている中粒

風が吹く前のステップ０では砂が均質に混ざってい砂は飛んできた細かい砂や風の影響を受けて，転がる状態でまだ風紋は形成されていない．風が吹き始って移動していく．粗粒砂はあまり動かず，その場めたステップ４で風紋ができ始め、風が吹き始めてに止まろうとするものと，中粒砂と同様に転がるも暫くたったステップ８では風紋と似たパターンを作

4

紋ができるることに成功した．また，パラメーターを変化させることにより，波長の異なる風紋や枝分かれ型の風

７ 結論
遠州灘海岸で見られる風紋について，今年度は野外観察，風洞実験，コンピュータシミュレーション
より次のことを明らかにした.
（１）風速が 6.5m/s 前後で風紋が出来始め，風速が大きくなると波長も大きくなる.
（２）波長が異なっても形は相似である.
（３）風紋の峰や谷，風上側斜面，風下側斜面では砂の粒径や鉱物組成が異なる.
（４）砂の運動には粒径や質量の違いにより「跳ぶ」と「転がる」２つのパターンがあり，この運動の組み合わせによって風紋はできる.

紋が形成された．これより，風紋は砂の動きやすさの違いによって形成されること，風速が大きくなるにつれて風紋の波長が大きくなること，風紋が形成される風速に限界があることなどがパソコン上で再現できた．よって，砂の「跳ぶ」と「転がる」運動の２つの要素が絡みあって風紋ができることがわかった．

８ 今後の課題（１）風紋上の砂の運動の詳細な解析を行う.
（２）砂粒の形によって,動きやすさがどのように違うのか調べる.
（３）風紋は全体がゆっくりと動いていると言われているが,どのような仕組みでて動いているのかを調べる.
（４）砂の粒径によって鉱物の種類が異なる原因を調べる.

図16 ステップ０ 無風の状態で風紋まだ何もできていない．

９ 謝辞
広島大学大学院理学研究科数理学教授 西森拓先生
静岡理工科大学理工学部教授 菅沼義昇先生
筑波大学システム情報工学研究科 羽田野祐子先生にお世話になりました.
１０ 参考文献
松倉公憲（1977）：風成砂床形の形態とその形成条件,
地理学評論 50,412－419
浜松北高校地学部(1984)：風紋に関する研究,生徒理科研究論文集昭和 60 年度版,71-76
田口善弘(1995)：砂時計の７不思議，粉粒体の動力学，中公新書,39－64
西森拓(2005)：動く砂丘－砂のダイナミックス，国際高等研究所出版,103－121など

図17 ステップ４ 平行型風紋が出来はじめる．
（風の向きは右向き）

図18 ステップ８ 平行型と枝分かれ型の風5