地震による津波は、海底の断層が急にずれて海底が広い範囲で隆起・沈降し、その上下変位によって海面全体が持ち上げられたり引き下げられたりすることで発生します。生じた海面の変形は長い波となって四方へ伝わり、沿岸の浅い海に近づくと速度が落ちる一方で波高が増しやすくなります。
つまり、津波は「地震の揺れがそのまま海水を揺らしてできる普通の波」ではありません。重要なのは、地震によって海底がどれだけ広く、どの向きに、どの程度上下に変形したかです。
そもそも津波とは何か
津波は、海面が大規模かつ急激に変化したときに生じる、非常に波長の長い波です。
気象庁は、海底下で大きな地震が発生し、断層運動によって海底が隆起または沈降すると、それに伴って海面が変動し、その変化が大きな波となって周囲へ伝わる現象を津波と説明しています。
通常の海岸の波は、主に風によって海面近くの水が動くことで生じます。一方、地震津波では海底の変形によって水柱全体が押し上げられたり引き下げられたりします。この違いが、津波が非常に長い波長と大きなエネルギーをもって遠方まで伝わる理由です。
地震が起きれば必ず津波になるわけではない
大きな地震でも、海底が十分に上下変位しなければ大きな津波は起こりません。
津波を発生させやすいのは、一般に海底下の浅い場所で起こり、広い断層面が上下方向の変位を伴って動く地震です。特に沈み込み帯で起こる大規模な逆断層型の地震では、海底が広範囲に隆起・沈降するため、大きな津波につながることがあります。
一方、断層が主に水平方向へすれ違う横ずれ型の地震では、同じマグニチュードでも海底の上下変位が小さく、津波が比較的小さい場合があります。
また、震源が深い地震では、断層運動が海底面の大きな変形として現れにくいため、一般に津波を起こしにくくなります。
つまり、津波の大きさはマグニチュードだけでは決まりません。断層の位置、深さ、大きさ、傾き、すべり方向、すべり量などが重要です。
海底の変形がなぜ海面の変形になるのか
海底が短時間に持ち上がると、その上にある大量の海水も押し上げられます。逆に海底が沈むと、その上の海面も下がる方向へ動きます。
津波を起こすほどの大きな地震では、こうした海底変動が数十km以上の広い範囲で起こることがあります。海水はすぐに元の水平な状態へ戻ろうとするため、持ち上がった部分から周囲へ水が流れ、沈み込んだ部分へも周囲の水が流れ込みます。
その結果、海面にできた大きな凹凸が長い波となって広がっていきます。気象庁の津波予測でも、まず断層運動から海底地殻変動を計算し、その上下変動が海面の初期的な凹凸になると考えて津波伝播を計算します。
このため、津波の最初の形は、地震を起こした断層の位置や向き、どの部分がどれだけずれたかによって変わります。
なぜ海溝型地震は大きな津波を起こしやすいのか
日本周辺のような沈み込み帯では、海洋プレートが陸側のプレートの下へ沈み込んでいます。
プレート境界が強く固着していると、海洋プレートの沈み込みに引きずられて陸側のプレートが変形し、ひずみが蓄積します。限界に達して固着が外れると、プレート境界が急にずれ、海底が持ち上がったり沈み込んだりします。
断層の破壊範囲が広く、特に海溝に近い浅い部分まで大きくすべると、海底変位も大きくなり、巨大津波につながることがあります。
2011年の東北地方太平洋沖地震に関する研究では、プレート境界深部から始まった破壊が海溝付近の浅部まで達し、大きなすべりが生じたことが巨大津波の発生に重要だったと報告されています。
津波は沖合でどのように進むのか
津波は外洋では非常に長い波長をもつため、「浅水波」と呼ばれる性質で伝わります。ここでいう浅水波とは、水深そのものが浅いという意味ではなく、波長に比べて水深が十分に小さい波という意味です。
津波の伝わる速さは、おおよそ水深の平方根に比例します。気象庁は、重力加速度をg、水深をhとすると、津波の速さはおおむね√ghで表せると説明しています。
そのため、深い外洋では非常に速く進みます。水深が数千mある太平洋の沖合では、津波は航空機に近い速度で伝わることがあります。
ただし、沖合では波高が数十cm程度でも、波長が非常に長いため大きなエネルギーを運んでいる場合があります。船に乗っていても、沖合では津波に気づかないことがあるのはこのためです。
なぜ沿岸に近づくと津波は高くなるのか
津波が沿岸へ近づくと水深が浅くなるため、進む速度が遅くなります。
すると、先に浅い場所へ入った波の前方部分が減速し、後ろから来る波が追いつくようになります。波と波の間隔が短くなり、水のエネルギーがより高い波として現れやすくなります。
気象庁は、沖合から浅い沿岸へ津波が進むと速度が下がり、前後の波の間隔が縮まる結果、波高が高くなると説明しています。
この現象は一般に「浅水変形」や「shoaling」と呼ばれます。沖合で小さく見えた津波が、海岸に近づいて急に高くなるのはこのためです。
海岸の形によって津波の高さが違うのはなぜか
津波の高さは、震源からの距離だけで決まりません。海底地形や海岸線の形によって大きく変わります。
たとえば、V字型の湾や細長い入り江では、奥へ進むにつれて波が狭い場所へ集まり、局地的に高くなることがあります。また、岬や海底地形によって波が屈折し、エネルギーが特定の場所へ集中することもあります。
さらに、湾内で津波が反射し、後から来た波と重なることで高さが増す場合もあります。気象庁は、岬の先端やV字型の湾の奥などでは津波が集中しやすく、後続波との重なりで著しく高くなることがあると説明しています。
そのため、同じ津波でも数km離れただけで高さや浸水範囲が大きく異なる場合があります。
津波と普通の波は何が違うのか
普通の風波は波長が比較的短く、主に海面付近の水が円を描くように動きます。一方、津波は波長が数十kmから数百kmになることがあり、水深全体にわたる大量の海水が移動します。
そのため、海岸に到達した津波は単なる「高い波」として砕けるだけではありません。大量の水が強い流れとなって陸地へ押し寄せ、川を逆流したり、建物や車を流したりしながら内陸へ浸水します。
津波の危険性は波高だけでなく、流れの速さ、大量の水量、長い継続時間にもあります。見た目の高さがそれほど大きくなくても、人が立っていられないほど強い流れになることがあります。
津波は必ず引き波から始まるのか
津波の前に必ず海が大きく引くわけではありません。
最初に海面が上がるか下がるかは、海底のどの部分が隆起・沈降したか、波源と海岸の位置関係などによって変わります。
海岸側に最初に「押し」の部分が届けば、潮が引くことなくいきなり海面が上昇して津波が押し寄せることがあります。逆に「引き」の部分が先に届けば、海面が下がってから大きな波が来ることがあります。
したがって、「海が引くまで避難しなくてよい」と考えるのは危険です。強い揺れや長いゆっくりした揺れを海岸付近で感じた場合、津波警報等が発表された場合には、海の様子を確認せず避難することが重要です。
最初の津波が一番大きいとは限らない
津波は一つの波だけで終わるとは限りません。
地震によって生じた海面変動は複数の波として広がり、海岸や島、湾内で反射・散乱しながら何度も到達します。さらに、異なる経路を通った波が重なることで、後続の波のほうが高くなることもあります。
気象庁も、最初の波が最大とは限らず、後から来る津波のほうが高くなる場合があると説明しています。
このため、最初の波が小さかったからといってすぐ海岸へ戻るのは危険です。津波警報・注意報が解除されるまでは安全な場所にとどまる必要があります。
マグニチュードが大きいほど津波も必ず大きいのか
一般に規模の大きな海底地震ほど大きな津波を起こす可能性は高くなりますが、マグニチュードだけでは決まりません。
津波を左右するのは、断層面積、震源の深さ、断層の傾き、すべり方向、海底の上下変位量などです。同じマグニチュードでも、主に水平にずれる地震と、海底を大きく持ち上げる逆断層型地震では、津波の大きさが大きく異なることがあります。
また、地震の揺れが比較的小さいのに大きな津波を起こす「津波地震」と呼ばれる現象もあります。海溝近くの浅いプレート境界がゆっくり大きくすべると、高周波の強い揺れが目立たなくても海底変位が大きくなり、津波が大きくなることがあります。
したがって、「揺れが弱かったから津波も小さい」と判断するのは危険です。
地震以外でも津波は起こるのか
津波の多くは海底地震によって起こりますが、原因は地震だけではありません。
海底地すべり、火山噴火や山体崩壊、海中への大規模な岩石の落下などによって海面が急激に変化した場合にも津波が発生します。
NOAA（米国海洋大気庁）も、津波を「海面の大規模で急激な擾乱によって生じる波」と説明し、地震のほか海底地すべりや火山現象なども原因になり得るとしています。
ただし、日本で津波警報の対象として最も典型的なのは、海域の大地震によって生じる津波です。
津波の到達時刻と高さはどう予測するのか
気象庁では、地震発生後に震源の位置と規模をすばやく求め、あらかじめ計算しておいた多数の津波シミュレーション結果から、沿岸への到達時刻や予想される高さを推定します。
シミュレーションでは、まず断層の位置・大きさ・向き・傾き・すべり方向などから海底の地殻変動を求め、次にその変動で生じる海面の凹凸がどのように海を伝わるかを計算します。
沿岸では海底地形や海岸線の細かな形によって津波高が大きく変化するため、予測には不確実性があります。そのため、予想値だけで安全を判断せず、警報や避難情報に従うことが重要です。
まとめ
地震による津波は、海底の断層運動によって海底が広い範囲で隆起・沈降し、その変化が海面の変形として海水全体に伝わることで発生します。
津波は深い海では高速で遠くまで伝わり、沿岸の浅い海に入ると減速して波高が増しやすくなります。さらに、V字型の湾や岬、海底地形、反射や波の重なりによって局地的に高くなることがあります。
ただし、地震が大きければ必ず大津波になるわけではありません。重要なのは、海底がどの程度上下に変形したかです。また、津波は必ず引き波から始まるわけではなく、最初の波が最大とも限りません。
つまり地震津波は、「断層のずれ→海底の上下変位→海面の変形→長い波として伝播→沿岸で増幅」という一連の仕組みで成り立っています。
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