2023.04.136103 views

サーフボードで波に乗って「波の物理」を体で知ろう

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唐澤 敏哉

気象予報士/防災士
サーフィンには物理学がひそんでいる

生まれては消えていく波。それはまるで生き物のようです。しかし、神秘的に思える波も地球物理の原則によって発生します。そして、自然の恩恵を楽しむサーフィンにも、その裏には科学的な原理・原則が潜んでいます。科学的に波を理解し、良い波に巡り会えるようになりましょう。

READY
準備するもの
  • サーフボード

    1枚

  • 潮周りを知れる潮見表か 時計

    ひとつ

STEP 1

波とは何かを知る?

  • 風が強い状態。まとまりのない風浪が発達中
  • 強かった風が弱まり、風浪がうねりへと変わった状態

まずは、ちょっと硬い話から。波を物理的に説明すると「水面(海面)の高低運動」となります。そして波はその発生要因によっていくつかに分けられます。

例えば「津波」。津波は海底の上下動や隕石などで水が押されて発生する波です。また、月・太陽の引力によって発生する潮の干満も「潮汐波」と呼ばれる波となります。そして、私たちが普段海で見ている波は、風によって発生する波と言えます。一般的に海の「波」とは、この風によって発生する波を指します。

風で起きる波もふたつに大別できます。ひとつは「風浪」でもうひとつは「うねり」。「風浪」とは、海上で吹いている風によって生じている波のことです。風浪は発達過程の波に多く見られ、個々の波の形状は不規則でとがっていて、強風下ではしばしば白波が立ちます。一方で、「風浪」が風の吹かない領域まで進んだり、海上の風が弱まったり風向きが急に変化するなどして、風による発達がなくなった後に残される波を「うねり」と呼びます。強風域で「風浪」が発生し、風が弱まるか、「風浪」が風の弱い所に進むと、「うねり」になるということになります。

STEP 2

波にひそむ3つの特徴を知る

  • 波の成分。波高(波の高さ)と波長
  • 有義波。不規則な波を分かりやすくしたもの

この「風浪」と「うねり」を合わせた波は、数値で表すと3つの成分があります。ひとつは「波高」で、残る2つは「波長」と「周期」です。

「波高」は、波の山と底との距離の差となります。波の山の頂上から次の波の山の頂上までの距離を「波長」といいます。ひとつの波の山の頂上が通過してから次の波の山の頂上が来るまでの時間を「周期」といいます。波長は周期の2乗に比例するので、波長と周期はほぼ同義と思ってもよいです。この波長(周期)がサーフィンのための波を予想する上では重要になるので後述します。

さて、強風域における風浪の形は一様ではありません。また「うねり」に「風浪」が加わっていることもあり、個々の波で大きさは異なっています。このような、複雑な波の波高を分かりやすく表すために使われるのが「有義波」です。

ある地点で連続する波をひとつずつ観測したとき、波高の高い方から順に全体の1/3の個数の波を選んでこれらを平均します。この仮想的な波を「有義波」と呼びます。天気予報や波浪図等で用いている波高や周期は「有義波」の値です。「有義波」の値は、目視で判断する波高とほぼ一致すると言われています。ただし、海面には有義波高よりも高い波や低い波が存在し、1/1000個の割合で有義波の2倍の高さの波がやってきます。つまり、波高が1mとなっているときには、ごくたまに2mの波がやってくることになります。サーフィン用語でいう「セット」がこの1/1000波にあたります。

STEP 3

波はどうやって生まれるか知ろう

  • 風の原理。高気圧から低気圧への流れが風
  • 波が発達するための三つの要素

ステップ1に書いたように、「うねり」のもととなる「風浪」は海上での風で発生します。極論を言えば「風が吹けば波が立つ」となり「風が吹かなければ波は立たない」となります。津波や潮汐波を除いて、波を立たせるものは、ズバリ「風」ということになります。

では、もう一歩踏み込んで、風の吹く理由を理解してみましょう。少し話が大きくなりますが、お付き合いください。地球は空気(大気)で覆われています。空気は密度が低いながらも重さがあります。空気の重さによって生じる力を「気圧」と呼びます。この空気の重さによって生じる力=気圧は、場所によって異なります。気圧が高い所が「高気圧」、低い所が「低気圧」となります。高気圧付近では空気塊によって生じる力が相対的に強く、低気圧付近は空気塊によって生じる力が相対的に弱くなります。この高気圧と低気圧が並んでいると、空気塊が押す力が強い所(高気圧)から、空気塊が押す力が弱い所(弱い所)に向けて空気が流れていくことになります。この空気の流れが「風」となります。

したがって、「気圧差が生じる」→「風が吹く」→「波が立つ」ということになります。
風が吹けば波が立つと上述しましたが、波が大きく成長するには三つの条件があります。

以下がその条件です。
①風が強く吹くこと
②風が長い距離に渡って吹くこと
③風が吹き続ける時間が長いこと
この三つの条件がそろうと波が発達します。

波を予想するには、天気図を見て、高気圧や低気圧(気圧差が生じている所)を見つけ、風が強く・長い時間・長い距離に渡って吹いているかが分かればよい、ということになります。

この「風が強く・長い時間・長い距離に渡って吹かせる」ものの代表が、台風や発達した低気圧、強い勢力を持つ高気圧、冬型の気圧配置などとなります。

STEP 4

波長と海底地形の関係を知ろう

  • 岸近くで波は水平方向の力を得る

風によってできた「風浪」から変わった「うねり」ですが、沖合においては、鉛直方向の上下の動きしかしていません。海面の水粒子は縦方向には動いていますが、水平方向には動いていません(厳密にはトロコイド運動といった円運動をしています。興味のある方はネットなどで調べてください) 。その証拠に、風が吹いておらず、潮の流れのない所で浮いている船は、上下には移動するものの、前後・左右には動きません。

しかし、外洋からやってきたうねりは、水深の浅い所(浅海域)に達すると、海底の影響を受けて波高、波速、波長が変化します。この現象を浅水変形と言います。浅水変形が進むと、波の頭(トップ)から崩れ始めます。この砕波がサーフィン用語でいうブレイクとなります。

浅水変形の度合は海底の地形によって変わります。また、波高・周期によっても浅水変形の度合は変わってきます。このため、ブレイクは一様ではなく、サーフポイントやそれぞれの波の波高・周期によって変わることになります。我々サーファーが乗る波は、その一本一本が、その場限りなものとなり、二度と同じ波には出会えないのです!

さて、ステップ1で「波長(周期)」が重要と書きましたが、その理由は「浅水変形」にあります。浅水変形は、うねりが「水深が波長の1/2より浅い場所」にくると生じます。ということは、波長(周期)の長い波ほど、より遠く(サーフィン用語でいうところのアウト)で割れるということになります。また、浅水変形では、波の波長(周期)が短くなる分、波高が高くなるという現象が生じます。イメージとしては、伸びていたバネが縮む、といった感じです。

そのため、「外洋では波高は低いものの周期の長いうねり」が沿岸にやってくると、いきなり波高が大きくなって崩れる、ということがあります。波を予想するうえでは、波高のみを見るのではなくて、波長(周期)もしっかりと確認する必要があります。

この波高は低いものの周期が長い波の代表例が、ハワイ・オアフ島の南側(ホノルル・タウン)で割れている波です。ハワイ・オアフ島の南側で割れている波は、南極海の嵐によって生じたうねりがはるか10,000kmを旅してやってきたものとなります。日本においては、はるか南海上の台風による、いわゆる「土用波」が、波長(周期)の長い波の代表となります。

STEP 5

物理の力で波に乗ってみよう

  • 唐澤予報士 重力+揚力=推進力

続いて、なぜ波に乗れるかを物理的に説明します。上述のとおり、うねりの段階では上下動があるのみです。うねりの上に乗っているだけでは、サーフボードは上下動をするだけで、水平方向には移動しません。ただし、浅水変形が生じるとうねりの角度が急角度に変形します。例えると海水の坂が生じます。

このようになるとサーフボードは重力の力によって坂(海面)を下るようになります。さらに浅水変形が生じると波のトップが崩れ、ついに水は水平方向(陸)に向かって動き出すようになります。この陸によって動き始める水の力により、サーフボードも陸に向かって動くようになります。このようにサーフボードが下方と前方に向かって動き出すと、ボードと波の間に揚力という力が生じ、サーフボードは盛り上がり続ける波の坂を滑り出します。この揚力(スピード)を上手に使って、数々の技(アクション)をすることができます。代表的なアクロバチックな技が、海面から空中へと飛び出す「エアリアル」となります。

サーファーは、一見すると科学・物理からほど遠いように見えるかもしれませんが、実はこんなに科学的なことを楽しんでいるのです!

STEP 6

日本の波を知ろう

  • 鴨川ポイント 低気圧によるうねり
  • 西目ポイント 冬型の気圧配置による波
  • 辻堂ポイント、2022年台風1号のうねり
  • 台風のうねりが日本に届く目安となる北緯20度

まずは日本の波を見てみましょう。海に囲まれた日本は、北は北海道の利尻・礼文島から南は小笠原や沖縄与那国島まで広い範囲にサーフポイントがあります。波が立ちづらい湾内の東京湾にもサーフポイントがあり、台風時には瀬戸内海でもサーフィンができることもあります。

日本で波が立つパターンをいくつかを説明しましょう。まずは、高気圧や低気圧。日本付近は中緯度にあり、上空ではジェット気流という地球を西から東へと周回していく強い流れがあります。この流れにのって低気圧や高気圧が日本付近を通過していきます。高気圧と低気圧との間では気圧差があり、この気圧差によって風が吹き、波が立ちます。

続いては、西高東低の冬型の気圧配置。冬になると、シベリア大陸には冷たくて重い「シベリア高気圧」が居座ります。一方で低気圧が日本付近から北東進していくことがあります。こうなると、西は高気圧、東は低気圧という「西高東低」の気圧配置となり、強い北西の季節風が吹きます。この強い季節風によって日本海側は「風浪」が強まって大荒れとなり、西高東低の冬型の気圧配置が緩むと風が弱まって「風浪」が「うねり」となって残ることになります。

そして、台風。日本の波のクライマックスは台風といっても過言ではありません。台風は、大型になるほど、波が発達する三つの条件、①風が強く吹く、②風が長い時間吹く、③風が長い距離に渡って吹く、を満たします。このため、台風は日本からはるか遠くに離れた所にあっても日本付近にうねりをもたらします。一般的に、亜熱帯域で発生した台風が北緯20°付近にまで北上してくると、日本付近にうねりが入ると言われています。

STEP 7

世界の波を知ろう

  • オアフ島ノースショア、パイプラインの波
  • ハワイの波は南極と日本の北東からくる

続いては世界の波を見てみましょう。上述のとおりサーフィンの聖地・発祥地のハワイ・オアフ島は大別すると2つのエリアとなります。ひとつは、北側のノースショア、一方はワイキキなどがある南側のタウン・サウスショアとなります。

この北・南は、まったく異なる様相をしています。北側のノースショアのメーンシーズンは冬で、夏になると嘘のように穏やかとなります。ノースショアに巨大なうねりをもたらすのは、低気圧の墓場と言われるアリューシャン付近の発達した低気圧です。遠くアリューシャン付近で生まれたうねりがはるかハワイまで届くことになります。さて、アリューシャン付近に低気圧があるということは、日本は西高東低の冬型の気圧配置となっていることになります。日本海が大荒れとなると、ハワイ・オアフ島に巨大なうねりが届くということになります。さらにこのアリューシャン付近の低気圧からのうねりは、アメリカのカリフォルニアまで届くこともあります。

一方で、タウン・サウスショアの波は、南極からのうねりとなります。南極圏となる南緯60°は「絶叫する60°」と言われており、冬季を中心に強風が吹き荒れています。ここで発生したうねりが、赤道を越えてハワイ・オアフ島にまで届くことになります。この南極圏からのうねりが安定して届くオーストラリアやインドネシアにも数多くの世界的なサーフポイントがあります(このオーストラリアやインドネシアにせき止められてしまうことにより、残念ながら日本付近には南極圏からのうねりが入ることはありません……)。

この他にも、アメリカのカルフォルニアでは、偏西風(貿易風)と言われる熱帯域で定常的に吹く西風によるうねりがあります。ヨーロッパでは北海で発生・発達する低気圧によるうねりでビッグウェーブが発生します。ポルトガルには30m以上の波を記録した「ナザレ」というサーフポイントがあります。

STEP 8

波をつかむボードを知ろう

  • ショートボードと上田純子プロ
  • ロングボードと上田純子プロ
  • ボディーボードに乗る

波に乗る道具を大別すると3種類となります。まずはショートボード。長さが6フィート(約180cm)前後のサーフボードです。おおむね薄くて細い形となっています。小さいために俊敏な動きができ、アクロバチックな技を繰り出すことができます。車で例えるとスポーツカーとなります。一方で浮力がないために、浮きづらいという性質ももっています。世界のトッププロが乗る板はミリ単位で調整されており、車で例えるとF1カーとなります。

続いてロングボード。長さが9フィート(約270cm)以上のサーフボードです。長いだけではなく、幅や厚みもあります。大きいぶん、動きは俊敏ではないものの、浮力があり安定しています。動かしづらいものの、初心者でも乗りやすくなっています。車で例えるとセダン・ファミリーカーということになります。

なお、このショートボードとロングボードの中間になる、ミッドレングス・ファンボードというものがあります。だいだい7フィート・210cm前後で、適度に動かしやすく、適度に安定感があるために、初心者や体力の衰えた高齢者には最適となります)。

最後がボディーボード。1mほどの大きさとなります。最大の特徴は腹ばいになって乗ることで、ショートボードやロングボードのように立ち上がる必要がありません。波に乗るには最も簡単な道具となります。ただし、上級者になると回転や空中に飛び出すアクロバチックな技が可能となります。世界のトップサーファーも、最初の波乗りは、子どものころにボディーボードから始めた、という人も少なくはありません。

この3種類の道具で、どれが一番優れているなどはなく、各々が目的・スタイルによって選ぶことになります。サーファーの中には、ショートボードとロングボードを使い分けてのる両刀使いの方もいます。

STEP 9

波を観察して海へ出る

  • 離岸流(リップカレント)のイメージ

さて、これらの道具を使ってどのように波に乗るのでしょうか。海に着いたら早まる気持ちを抑えられずにすぐにでも海に飛び込みたくなるかもしれませんが、少しだけ海を観察してから海に入るようにしましょう。

波が割れている付近では、リップカレント(離岸流)と言われるものが発生します。崩れた波・海水は岸に押し寄せます。この岸に押し寄せた海水は岸付近に留まっていることはなく、流れとなり、海岸と水平に動き、水平に動き合った流れがぶつかると沖へと向かって出て行きます。この流れがリップカレント・離岸流となります。このリップカレントを利用すると簡単に沖へと出られますが、岸へと寄せてくる流れの中にいるといつまで経っても沖に出ることができないこともあります。

続いて、波が割れて始める所を確認しましょう。沖合からやってきたうねりが浅海効果によって割れ始めます。この浅海効果がおきる場所は、波の大きさや海底の地形によってことなります。この場所より沖側にいるとただうねりによって上下動するだけになります。その反対に、岸側にいると割れた波のなかに居続けることになります。丁度波が割れ始める場所をピンポイントで見つけるようにしましょう。

それでは、カレントを利用してピンポイントで波が割れ始める場所に向かいます。このとき、ピンポイントで波が割れ始める所から少しだけ沖に位置して波を待ちます。次にうねりがやってきたら、陸側に向かってパドル(漕ぐこと)を始めます。パドルによって加速すると揚力が発生し、沈んでいる板が少し浮き始めます。このスピードがついた状態でうねりに同調しましょう。うねりが崩れ始めると、板はさらにスピードがついて斜め下に走り出します。このタイミングで板の上にたつ「テイクオフ」を行います。その後は、下へと進む重力の力、崩れる波による前に進む力を上手に利用して、波に乗り、技を繰り出す、ということになります。

STEP 10

潮の動きによる波の変化を知ろう

  • 満月・新月の日が大潮となる
  • タイドグラフで潮位の変化を知る
  • 月、太陽、地球の位置関係で潮位が変動する
  • G-LIDE
  • (左)GBX-100TT-8JF   (右)GBX-100TT-2JF 

潮位の上下動も波の大きさを左右します。最初に潮の動き(潮汐)がおきる仕組みを簡単に説明しましょう。

地球は太陽の周りを回り、さらに地球の周囲を月が回っています。この太陽・月と地球の間には引力が働いています。潮汐により大きな影響を与えるのは地球に近い月で、月の引力で引かれた水によって海面が高くなっている状態が満潮、反対に海面高度が低い状態が干潮となります。

さらに、太陽と月と地球が一直線に並ぶと、海面を引っ張る力の向きが揃って干満差が大きい「大潮」となります。太陽と地球と月がなす角度が直角に近くなると、海面を引く力が相殺されて干満差が小さくなる「小潮」となります。

サーフィンを行う上で、潮の動きは重要になります。STEP4にあるように、外洋からやってきたうねりは、岸近くの浅瀬に近づくと、海底の影響を受けて浅海効果がおきて割れるようになります。海面から海底の距離があるほど割れづらくなり、距離が短いほど割れやすくなります。

同じサーフポイントでも、干潮時には浅海効果が働いて割れるものの、満潮時には浅海効果が働かずに割れない、ということもあります。一方で、満潮時には水量が多いため力のあるブレイクとなるのに干潮時には水量が少ないために力のないブレイクとなることもあります。一概に満潮・干潮のどちらかが良いというわけではなく、サーフポイントやその日の波の状況によって適した潮回りがあるということになります。
一般的には、潮が動いている時間帯がサーフィンに適していると言われています。なぜかというと多くのサーフポイントは、満潮から干潮に向けて潮が引きに向かっている時間帯は波が割れやすくなるためです。
それとは反対になる干潮から満潮に向けて潮が動くときに割れやすくなるポイントもあります。湘南などの湾内のポイントは上げ潮時に外洋から沿岸に向けて海水が押し寄せてきます。この外洋から沿岸に海水が押し寄せるのに乗って、波も一緒にやってくることがあります。
干潮・満潮時には、この外洋と沿岸との海水の動きがとまるために、一時的に波が入って着づらくなることがあります。上記のような理由から、一般的には潮の動きが多い大潮の日の潮の動いている時間帯がサーフィンに適していると言われています。

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STEP 11

『やった!レポ』に投稿しよう

実践したら、写真をとって『やった!レポ』に投稿しましょう!苦労したことや工夫したこと、感想などあれば、ぜひコメントにも記載してください。

MATOME
まとめ

私は、物心がついた時には、科学・理科が好きでした。小学校5年生の時に始めて天気図を書いています。そんな私が気象予報士の資格を取得したのもサーフィンのおかげです。「良い波に乗りたい」という思いから天気・地球物理を学ぶようになり、遂に気象予報士になることができました。天気・波の原理・原則を少しでも理解すれば、良い波を当てられるようになります。皆様が、良い波に巡り会えるために、少しでも天気に興味をもっていただけると嬉しいです。

GROW CHART
成長スコアチャート
野性4
5知性
3感性
アクティビティ
感じる
環境
季節
春 ・ 夏 ・ 秋 ・ 冬
所要時間
1時間~3時間
対象年齢
小学校中学年以上
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