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プログラミング、3DCGとその他いろいろについて

川ができるしくみ

仮に地球上のすべての陸地をキレイに平らにしたとしても、雨が降ればまた川が自然に作られるでしょう。ではなぜ川は作られるのでしょうか?砂粒のレベルから考えてみます。


土を削る

まずは現実の世界は忘れて、平らな陸地と海だけがある世界を考えます。そこで川が作られる様子を断面で見たらきっとこんな感じでしょう。

陸に降った雨によって地面が削られ川ができるのです。

しかしなぜ土は削られるのでしょう?この図をズームアップして考えてみましょう。砂粒が見えるほどズームアップします。

これは削られる前の段階で、川の下の土を表しています。茶色い丸は砂粒、水色の丸は水です。砂粒は積み重なっており、一番濃い茶色の砂粒は一番削られやすそうな場所に位置していますが、下の砂粒が作る凹みに上手くハマっているため安定しています。下の段に落ちるためには、下の砂粒が作る段差を乗り越える必要があるのです。いわば、土が固まった状態です。

ところが!水がぶつかろうとしています!

ぶつかりました!濃い茶色の砂粒は下の段に落ちてしまいました。これが地面が削れるしくみでしょう。凹みにハマっているため安定しているものが、水とぶつかって下に落ちてしまうのです。地面が削れる前と削られる後は両方共安定しているといえます。しかし、ある程度の障壁を乗り越えれば下の安定状態に移行できます。今回は、水がぶつかった勢いで下の安定状態に移行した――削れたのです。

エネルギーの格差が川を作る

ちなみに、削れた砂粒のポテンシャルエネルギーはこうなります:

削れるためには小さな山を乗り越える必要があります。そのエネルギーは、水の流れが与えてくれるのです。一度下の段に落ちると、元の状態に戻るにはかなり大きなエネルギーが与えられる必要があります。その確率は小さいため、土は削れる一方なのです(次の土が上からやってくる確率のほうが高いでしょう)。

つまり、川ができる時土が削れるとは、砂粒がより低いエネルギーの安定状態に移行するということです。今回、平らな陸地と海だけで考えたので、エネルギーは最初は2パターンしかありません。高いエネルギーの場所(陸)と低いエネルギーの場所(海)です。最初は雨が降っても水はスムーズに海まで流れません。しかし削れることによって――水が通り砂粒がより海に近い安定状態に移行することによって――坂が作られ、水をより効率的に運ぶようになるのです。

もし地球の高さがすべて同じだったら川はほとんど作られないでしょう(雨が降った時の衝撃で少しは地面が凹むかもしれませんが)。高さに差があったからこそ、川は作られたのです。じっさいの地球では陸地と海の高さの差をつくったのはマントルによる地面の隆起ですから、マントルが川を作ったも同然というわけです。

もっと言うなら、マントルの動きを生み出したのはマントル中にふくまれる放射性元素による熱で、それは太陽系ができる前に起きた超新星爆発が作ったので、結局は核融合――水素の持つポテンシャルエネルギー――が大本のエネルギー格差の原因で、川を作った張本人なのです。

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