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津波とそのエネルギー

はじめに(3月20日) 

津波の恐ろしさは海岸に到達した波が陸の奥まで、すべてを押し流して襲い掛かることにある。東日本大震災(2011年3月11日)から9年が過ぎた。その巨大な津波が日常生活を破壊し、多くの命を奪い、忘れ得ぬ悲しみを残した。今回改めて、今まで津波現象の伝播エネルギーの計算をしてきたが、修正しなければ成らないことに気付いた。その点を含めて、過去の記事を確認しながら、改めて計算根拠を含めて提起する。

津波の原因

先日、9年前の津波災害の検証の放送がNHKスペシャルであった。今でも、その東日本大震災における津波の仕組みについての専門家の解釈は変わっていない。当時ツイッターで頻りに、海溝に陥没あるいは亀裂が出来ていないか調査してほしいつぶやいた。予測通り、海洋開発機構の『しんかい6500』が観測結果を提供された。2011/08/16に震源域の深海底に亀裂 『有人潜水調査船 しんかい6500』 でYouTube に調査結果が示されている。その亀裂は2006年の調査時には無かった海底亀裂が新しく出来たものだと言う話である。予測が的中した調査結果である。地震・津波発生の原因 (2014/06/15) にその亀裂を載せさせて頂いた。当時から、地震・津波の専門家の解説は歪解放の陸側の地殻の跳ね上がり現象が原因との話だ。

専門家の津波原因説 専門家の津波の原因としての解釈を図に描いた。全く理解できない疑問を3点挙げた。残念ながら、専門家による組織、政府機関である気象庁のホームページ記事の解説記事は間違っている。それが筆者だけの捉え方なら止むを得ない。

3点目に挙げた事。太平洋側に跳ね上がる事で、何故陸側に津波が到来することになるのか。太平洋側にしか伝播しないように思える。津波の波長は数㎞から数百㎞にも成るらしい。そんな長さの波を跳ね起こし、しかも跳ねた方向と逆向きに巨大津波を発生させるという力の運動力学的論理が全く見えないのだ。数百㎞の津波波長を大陸側の岩盤が跳ねると解釈する論理性が見えないのだ。それほどの長時間跳ね続ける等無理であると思うが、もしそのような事が起きると考えるなら、その論理的な説得力のある理屈を示すべきと思う。

専門家の津波解釈が理解できない根拠

津波前の急激な引き波―専門家に問う― (2019/06/26) がその根拠である。この引き波についても、気象庁の解説は、その事実を間違いとして否定している。2004年12月26日スマトラ沖での津波災害も、遠い海岸での海岸線の津波前引き波で、遠浅の海底が干上がり、魚が跳ねていた。その後に巨大津波が押し寄せたテレビ映像を見た。その津波前の引き波現象を専門家はどのように解釈するのか?その引き波現象について今まで、専門家が説明している事を知らない。

専門家は津波伝播エネルギー量の計算とその根拠を示して欲しい。

筆者の解釈 津波伝播エネルギーとは?

津波の現象について独自に考えた結果を提唱する。津波エネルギーの本質は何か。津波は海水面の上に高い階段状の衝撃波頭を持った長い波尾長の減衰波形で観測される。波尾長の長さが数百㎞に及ぶものもあるという。その津波が沿岸部に到達し、災害の津波として上陸する伝播エネルギーを如何なる現象と捉え、その『エネルギー』をどの様な力学的現象による量と認識するか。どのような理論的根拠を捉え、計算するのか。そのエネルギー量を計算するには、基本的には普通の水面波の波動現象をどの様なエネルギー量で捉えるかに掛かっている。水面波を物理学でエネルギー波と捉えていないところに最大の教育上の問題がある。『エネルギー』なしに波は発生せず、伝播もしない。すべて波は『エネルギー』の縦波であるから。波を観たら、それは『エネルギー』の伝播現象と先ず感覚的に理解しなければならない。その『エネルギー』を認識できるかに掛かっている。その『エネルギー』の水中分布を捉えられるか。津波が海岸部に襲来すると、津波伝播速度が遅くなる。その理由を海水の深さが浅くなるからと解説されている。その訳を式で説明されているが、何故そのような式で解釈できるかの理由が示されていない。その解釈には『エネルギー』の意味が全く考慮されていないから、その式が本質的な自然現象としての認識を伝える意味をなしているとは理解できない。津波の速度が結果的に深さに関係すると見える訳は、海洋伝播時の水の移動しない圧力エネルギー波(ほぼ200[m/s])が、水の流れる運動エネルギー波および水を持ち上げる位置エネルギー波に変わり、地形に従った止むを得ない『エネルギー保存則』によって起きる、エネルギー変換による速度変化の結果なのである。質量の流れない圧力エネルギーが水の質量の流れとしての運動エネルギーおよび位置エネルギーへの『エネルギー保存則』に基づく変換をするから速度が変化するのである。基本的に、津波の速度は深さには関係しない。その『エネルギー』の空間像を認識して、はじめて波の物理的意味が分かる筈だ。その上でその津波の『エネルギー』を数式でどのように表現するかであろう。残念ながら、津波エネルギーの計算根拠が示されていないように思う。

図1.Water pressure

海洋を伝播する津波波形は図のように描けよう。海面には大気圧poが掛かっているが、それをここでは考慮する必要はない。津波波形は波頭で急激に立ち上がり、階段波の長い波尾を引いたものとなろう。津波は図の h(m) の波の高い部分がその物理現象の原因となる。津波の意味を知るには、この部分の水圧が平常の海の水圧に付加されることによって、どの様な『エネルギー』の作用が生じるかを知ることが必要である。また大事な事は、津波は図のような波の水は即ち水の質量は少しも流れないという事である。津波の海洋を伝播する時の『エネルギー』は水の『運動エネルギー』ではないという事を知らなければならない。水圧の『圧力エネルギー』であるという事が普通の水力学での現象と異なることを津波現象の本質と知らなければならない。必ず津波はその波頭部の直前の海水面が低くなる。その意味はその直前の海水を只高く引き上げて、津波の波高値を保つのである。その水は流れないで、高く押し上げられ徐々に波高に従って高さが下がるだけである。この意味は普通の水面に現れる波が流れないで、只水面の上下する現象と同じことで津波を理解すればよい。津波の水も津波の進行方向には流れず、只上下するだけである。海岸で海水が流れ込み、陸に上陸したとき災害になる。それは海洋を伝播する津波の『圧力エネルギー』が海底の深さが浅くなると津波の『圧力エネルギー』を保存できなくなるから、水の『運動エネルギー』と水位の上昇での『位置エネルギー』に変換する現象によって、普通の水力学の状況になるのである。この『エネルギー保存則』の物理学理論を理解していれば、津波が「これ程高い所に来るとは理解できない」などと訝しく思う筈はないのだ。普通の『エネルギー保存則』の物理的変換現象なのである。

図2.伝播エネルギー

この伝播エネルギーの計算法で今までの解釈を修正しなければならない。津波によって生じる圧力エネルギーの災害を生じる『伝播エネルギー』は当然平常時に保有する海底までの圧力エネルギーとは異なる。津波の波高 h[m] の単位面積当たりの水中の圧力エネルギーは上の図の(5) 式となる。その津波波形の圧力は p[N/㎡] (図1.の(1)式)および『エネルギー』は(1/2)ρgh^2^ [J]  (5)式となる。津波に依る水圧増加分 p が海底まで掛かって影響する。結局全水圧の『エネルギー』から津波の無い平常時の圧力『エネルギー』を引いた分が津波の災害を引き起こす『伝播エネルギー』となる。その(6)式の『伝播エネルギー』 Et [J/㎡] が沿岸部に到達して上陸する災害の基となる『エネルギー』量である。単位面積当たりの量であるから、それの波全体に広がった『エネルギー』が伝播する。

図3.津波波動関数

地震震源地点の海底に津波の発生原因がある。その津波を引き起こす地殻のどの様な現象が津波の原因となるかの捉え方が問題である。それは次の問題として、津波が発生した波動を関数式に表現してみた。発生点を座標の原点 O とする。津波の波頭がO点から伝播し、その後の時間 t[s] 経過後の位置 x[m] 点の津波波高値 y=h(t,x) は(9)式で表す。津波の規模はその波頭の高さと波尾長で決まると観てもよかろう。波頭値を H[m] とした。津波速度は海洋では V=200[m/s] の一定値と解釈して良かろう。基本的には津波も水中の圧力波の縦波伝播現象である。関連して、水中の音の伝播速度は1500[m/s]のようだ。空気中の音の伝播速度もほぼ 331[m/s] 程度と言う。音の伝播現象も水中であれ、空気中であれ、それらはすべて圧力密度波『エネルギー』の縦波伝播現象である。ただ津波の圧力伝播速度が音の伝播速度に比して7分の1ほどの速度となる。その訳・理由は分からないが、『謎』として意識しておきたい。津波の伝播速度は一定値Vとして表現した。波長を L[m] とし、波尾長が一定の勾配 α=H/Lで減衰すると仮定した。(10)式は位置座標 x の範囲を示す。津波の規模は海底の発生源の広さ、亀裂の長さとその規模に依ろうが、またその結果が現れる波頭値 H と波尾長 L によって決まろう。

関数式と『伝播エネルギー』。

波頭の最大波高値 H から波尾の各波高値 h(t,x) に対して、図2.の(6)式から海底の深度 D との関係で『伝播エネルギー』は求まる。しかし、この値は実際には少し異なる。『伝播エネルギー』は本当は震源地点の海底深度で『エネルギー』の量は決まる。その『エネルギー』が伝播する途中で、海底深度が変化すれば、その『伝播エネルギー』は『エネルギー保存則』によって位置あるいは速度の『エネルギー』に変換される分が生じる。浅い川で水の流れを見ても、石等の上を流れるとき水面が上下したり早くなる様子が見える筈。飛行機の揚力と空気の流れと似た現象だ。流体は基本的に、圧力と速度の『エネルギー』変換現象の基にある筈だ。大事な事は水や空気の空間に在る『エネルギー』の諸現象をどの様に認識するかに掛かっていよう。物理現象で最も大切な事は空間の『エネルギー』の諸相をどう認識するかではなかろうか。このような解釈は、電気回路現象の中の『エネルギー』の意味の解釈から感覚的に捉える見方であるかも知れない。電気コイルの中の空間にインダクタンスと言う前に、『エネルギー』が存在していると認識することからの解釈であろう。『電流』や『電荷』あるいは『電子』の電気技術概念の前に『エネルギー』が有るのだ。

津波と波源 津波は波源から離れた海岸部に襲い掛かる水の自然現象の一つである。津波は地震に伴って起きる海底の地殻の陥没や亀裂を原因として、深海に掛かる水圧と突発的真空空間出現との関係に伴う水力学的自然現象である。地球の自然的活動の一つの姿でしかない。特に複雑な地殻の狭間にある日本列島は常にその脅威に晒されている運命にある。歪解消の地殻の跳ね上がりで、数百kmの波長の津波が発生するとは考えられない。海底亀裂や陥没による空間の出現とその高水圧との水力学による海水の引き込み現象と、その引き波の周辺海域への波動伝播が広範囲からの海水引き込みを呼び起こし、巨大な海水流入が起きる。それが津波前の引き波現象の原因である。この海水流入が長ければ当然波尾長は幾らでも長くなる。道草問答(5)-津波と真空破壊力-にもその時間との関係を述べた。これらの解釈に至る過程は、すべては水の中に潜って水の慣性や水圧などの感覚的認識が基になっているかも知れない。

東日本大震災時の『しんかい6500』の海底亀裂観測結果について。

しんかい6500によって海底亀裂が報告された。特に亀裂が北の方で、深さ5331mと言えば巨大な水圧であり、地震の震度が5程度であっても此の水圧からすれば、巨大津波になった理由として不思議ではない。NHKのスペシャルを見ての感想。

また、海溝が日本列島に平行に走っているから、亀裂がその海溝に沿って発生すれば津波は太平洋沿岸に平行な波頭の津波として襲い掛かると考えられる。その津波の威力は衰えずに沿岸部まで到達することになる。海底亀裂の恐ろしさである。しかしその亀裂に関する観測結果が津波との関係で捉えられていない点で、とても不思議である。

津波と速度。津波の速度には水が流れる速度と水が流れない『伝播エネルギー』の速度と様々なものがある。津波とその速度 (2020/3/27) にまとめてみた。海洋伝播する『伝播エネルギー』の速度は200[m/s] の高速度で、深さにはほとんど無関係と見做す。

海岸に上陸し、直接災害をもたらす津波の速度は一概に幾らとは決まらない。海洋を伝播してきた『エネルギー』の総量と到達海岸の地形によって『速度』も「到達高さ」も決まるものである。

まとめ

災害を及ぼす津波波動は陸に上陸した海水の流れる波である。その津波の高さと災害の脅威は海洋を伝播する津波波形のただ高さだけでは理解できない。防潮堤の高さがどのような意味を持つかを理解するには海洋の津波の『伝播エネルギー』を理解する必要が有る。海岸部に到来する津波の速度などの計算式は別に考えたい。

関連記事。エネルギーで見る世界―津波― (2011/3/27) 。 大津波の発生原因を探る (2011/4/18)。 津波を(tsunami)解剖する(2012/2/13)。 道草問答(5)津波と真空破壊力 (2012/12/20) 。 道草問答(7)水圧と水頭 (2013/5/6)。津波と圧力水頭 (2018/5/1)。 津波前の急激な引き波―専門家に問う―(2019/6/25)。

サヨウナラ『電荷』

(2019/11/27)追記。実験的検証法の電圧測定について。電圧の測定に普通の電圧計では巧くゆかない。一般に測定は必ず測定対象からエネルギーを取り込む。どのようにエネルギー量を失わずに測定するかの技術的工夫が必要だ。静電容量の小さいコンデンサで、電圧値が低ければ、実験の精度は得難いかも知れない。測定器の入力インピーダンスの大きなものが欲しい。あるいは減衰特性の写真判定など。電圧測定について一言ご注意申し上げたい。

電気理論の根幹をなす概念は『電荷』である。また電力技術・工学では『エネルギー』が根幹をなす概念でもある。『電荷保存則』と『エネルギー保存則』がともに重要な基礎をなしている。電池電圧や分布定数回路現象を最近考えた。急に気付いたことがある。やはり『電荷保存則』は論理的に矛盾している。コンデンサとエネルギーと電荷 (2017/08/31) で満足に答えられなかった問題があった。高校生からの質問のようだった。電池と電圧(エネルギーの基礎研究) (2019/11/13) に答えが出ていた。

実験的検証法

回路はいたって簡単である。コンデンサが電圧V0に充電されている。同じコンデンサをスイッチでつなぐ。電圧は幾らになるか?結果は図のように、『エネルギー保存則』に従った電圧になる。だだ、スイッチオンでの追加コンデンサの充電時に突入電流(電流ではなくエネルギーの突入ではあるが)で、エネルギー消散が起きる分の誤差はあろう。小さなコイルでの突入制限を抑える方法はあろう。兎に角、『電荷保存則』は否定され、『エネルギー保存則』に軍配が上がる筈だ。実験確認が可能と考える。以上急な思い付きの報告。