結論からいうと、湖の水が深さによって違う温度になるのは、太陽の熱が主に水面近くを暖める一方、水は温度によって密度が変わるため、暖かく軽い水と冷たく重い水が簡単には混ざらなくなるからです。 とくに夏の深い湖では、暖かい表層、温度が急に下がる中間層、冷たい深層というように、水温が層状に分かれることがあります。
この状態を水温成層と呼びます。ただし、一年中ずっと同じ層が保たれるわけではありません。春や秋には表面と深い所の温度差が小さくなり、風によって湖全体が混ざることがあります。浅い湖では風の影響が底近くまで届きやすいため、成層ができても短期間で崩れることがあります。
湖は上から太陽に暖められる
湖の熱の大きな供給源は太陽です。
太陽光は水面から湖へ入り、そのエネルギーの多くは表面に近い水で吸収されます。深くなるほど光は弱くなるため、同じようには暖まりません。
夏の晴れた日には、まず表面付近の水温が上がります。一方、深い所には春先から残った冷たい水があり、直接受け取る熱も少ないため低温のまま保たれやすくなります。
USGSも、湖では表面が太陽や暖かい大気から熱を受けることで上層が暖まり、深い層との温度差が生まれると説明しています。
水は温度によって密度が変わる
湖の水温差を理解するうえで重要なのが、水の密度です。
一般に4℃より高い範囲では、水は暖かくなるほど密度が小さくなります。つまり、夏に暖められた表面の水は軽く、下にある冷たい水はそれより重くなります。
軽い水が上、重い水が下にある状態は安定しているため、風が吹いても簡単には上下が入れ替わりません。
この密度差が、表面の暖かい水と深部の冷たい水を分ける「壁」のような役割をします。
夏の深い湖では三つの層に分かれやすい
夏に水温成層が発達すると、湖は大きく三つの層に分けて考えることができます。
- 表水層：水面に近い暖かい層。風でよく混ざる
- 変水層：深さとともに水温が急に下がる層
- 深水層：湖底側の冷たい層。表面の影響を受けにくい
変水層の中で、とくに水温変化が大きい深さ付近は水温躍層と呼ばれます。
国立環境研究所の摩周湖データベースでも、夏には表面の水温が高く深層は低温になり、その間に水温が大きく変化する躍層が形成されると説明されています。
風が吹いても深い所まで混ざらないことがある
湖面に風が吹くと、水面には波や流れが生まれ、表層の水がかき混ぜられます。
しかし、夏に強い水温成層ができると、表層と深層には密度差があります。風の力が弱ければ、その密度差を乗り越えて深い水まで混ぜることができません。
そのため、上層だけはよく混ざって比較的同じ温度になり、その下に急激な温度差が残ります。
環境省も、深い湖では水温差による成層ができると鉛直方向の混合が弱くなりやすい一方、浅く広い湖では風で湖水が混ざりやすいと整理しています。
深い湖ほど冷たい深層が残りやすい
湖が深いと、表面の風や日射の影響が湖底まで届きにくくなります。
そのため、夏でも深水層には春の低い水温が残りやすくなります。
USGSの湖沼調査指針では、ある程度深い湖や貯水池では、暖かい表水層と冷たい深水層が長期間分かれることがあると説明されています。
反対に浅い湖では、風によるかく乱が底近くまで届きやすく、上下の水が頻繁に混ざるため、大きな水温差が長く続きにくい傾向があります。
浅い湖でも一時的に成層することはある
「浅い湖なら水温はどこでも同じ」とは限りません。
晴れて風の弱い日には、浅い湖や貯水池でも表面だけが暖まり、数時間から数日程度の一時的な成層ができることがあります。
長良川河口堰の湛水域を調べた研究では、快晴で弱風の条件で水温成層が発達し、夜間の冷却や混合によって崩れる現象が観測されています。
つまり、湖の深さは重要な条件ですが、風、日射、気温などによっても水温差の大きさは変わります。
春には湖全体が混ざりやすくなる
冬から春にかけて気温が上がると、湖面の水も暖まります。
寒冷地の湖では、春に表面水温が約4℃へ近づくと、表層と深層の密度差が小さくなります。
この状態では、風の力で上下の水を混ぜやすくなります。
湖の表面から底近くまで水温が近くなり、湖全体が混ざる現象を全層循環や春季循環と呼びます。
秋田県の一ノ目潟を調べた研究でも、季節によって成層と全層循環が入れ替わり、風が循環を起こす重要な要因になることが示されています。
秋にも温度差が小さくなり混合が進む
夏の終わりから秋になると、気温が下がり、湖面の水が冷やされます。
表面の水が冷えると密度が大きくなり、下へ沈みやすくなります。
その結果、表面で冷えた水と下の水が入れ替わり、風による混合も加わって成層が弱くなります。
温帯の湖では、この秋季循環によって夏に分かれていた表層と深層が再び混ざることがあります。
ただし、湖の深さや気候条件によっては完全に底まで混ざらない年もあります。
冬の寒い湖では「逆成層」ができることがある
水には、約4℃で密度が最大になるという特徴があります。
そのため、冬に湖面が4℃よりさらに冷やされると、0℃に近い冷たい水の方が4℃前後の水より軽くなります。
寒冷地で湖面が凍る湖では、表面付近が0℃に近く、深部に4℃前後の水が残ることがあります。
これは夏とは温度の並びが逆なので、逆成層と呼ばれます。
ただし、日本のすべての湖が冬に凍るわけではなく、気候や湖の深さによって冬の水温構造は異なります。
水温差は光が届く深さにも関係する
太陽光は湖面から入りますが、深くなるほど弱くなります。
透明な湖では比較的深いところまで光が届きますが、濁りや植物プランクトンが多い湖では浅い場所で光が吸収・散乱されます。
そのため、湖水の透明度は「どの深さで熱が吸収されるか」に影響し、水温成層の位置にも関係することがあります。
国立環境研究所の摩周湖データベースでも、水中の光は深さとともに弱くなり、そのエネルギーの一部が熱へ変わると説明されています。
湖の大きさや形でも水温分布は変わる
同じ深さの湖でも、水温の分布が同じとは限りません。
広い湖では風が長い距離を吹き渡るため、表層を混ぜる力が大きくなることがあります。
一方、山に囲まれた小さな湖では風が弱く、比較的浅い位置に水温躍層ができる場合があります。
また、細長い湖、複数の深い湖盆を持つ湖、流入河川が多い湖などでは、場所によって水温構造が異なることがあります。
つまり、水温の鉛直差は「深さ」だけでなく、湖の形、風、透明度、流入水などが組み合わさって決まります。
川から入る水も温度分布を変える
湖には川や地下水から水が流れ込みます。
流入水の温度と密度が湖水と違うと、その水は必ずしも表面に広がるとは限りません。
湖水より冷たく重い水は深い層へ入り、同じくらいの密度の層まで沈んで横に広がることがあります。
反対に暖かく軽い水は表層側に広がりやすくなります。
一ノ目潟の研究でも、成層期に流入した水は湖全体へ一様に混ざるのではなく、水温躍層より浅い層にとどまることが示されています。
水温の層は酸素や栄養塩の分布にも影響する
水温成層ができると、上下の水が混ざりにくくなります。
すると、深層へ大気中の酸素が供給されにくくなります。
深い場所では、沈んできた有機物を微生物が分解するときに酸素が消費されるため、長期間成層が続くと底層の酸素が少なくなることがあります。
環境省は、深い湖沼での水温成層を、底層の溶存酸素量が低下する典型的な要因の一つとして挙げています。
そのため、水温差は魚や底生生物の生息場所、水質、栄養塩の循環にも影響します。
魚は水温と酸素の両方を選んで生活する
魚には種類ごとに好む水温があります。
夏に深層が冷たい湖では、冷水を好む魚が深い場所を利用することがあります。
しかし、深層の酸素が不足すると、冷たくても生息しにくくなります。
そのため魚の生息範囲は、「温度が適しているか」と「酸素が十分にあるか」の両方で決まります。
湖の水温成層は、生き物が湖のどの深さを使えるかを左右する重要な環境条件です。
気候変動で成層の期間が変わる可能性がある
気温が高くなると、湖面の水温も上昇しやすくなります。
表面と深層の温度差が大きくなれば、夏の成層が強くなったり、成層期間が長くなったりする可能性があります。
また、冬の冷え込みが弱くなれば、湖全体が十分に混ざる時期が短くなる湖も考えられます。
2022年の水文・水資源学会の研究でも、湖やダム湖の水温構造は季節や気候条件によって変化し、それが水質や生態系、利水へ影響する重要な要素として扱われています。
深さによる水温差を整理すると
- 日射：太陽の熱は主に水面近くを暖める
- 密度差：暖かい水と冷たい水では密度が違い、混ざりにくくなる
- 水温成層：夏の深い湖では暖かい表層と冷たい深層が分かれやすい
- 風：表層を混ぜるが、強い成層があると深層まで届きにくい
- 湖の深さ：深い湖ほど冷たい深層が残りやすい
- 季節循環：春・秋には温度差が小さくなり全層が混ざることがある
- 冬の逆成層：寒冷地の結氷湖では表面が0℃近く、深部が4℃前後になることがある
- 流入水や透明度：河川水の温度や光の届き方も水温構造を変える
まとめ
湖の水が深さによって違う温度になるのは、太陽が主に湖面を暖め、水温による密度差が上下の水の混合を妨げるためです。
- 夏は表面が暖まり、深い水は冷たいまま残りやすい
- 暖かい水は軽く、冷たい水は重いため層が安定する
- 深い湖では表水層・変水層・深水層に分かれることがある
- 風は表面を混ぜるが、強い成層があると深層まで混ざりにくい
- 春や秋には水温差が小さくなり、湖全体が循環することがある
- 浅い湖では成層が弱く、短期間で崩れやすい
- 水温差は酸素、水質、生き物の分布にも影響する
つまり、湖の水温は「深いから冷たい」というだけではなく、日射、風、水の密度、湖の深さ、季節がつくる層構造によって決まります。 深さごとの水温を見ると、その湖がいつ、どの程度混ざっているのかまで読み取ることができるのです。
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