海やプールでは、深く潜るほど水圧が大きくなります。しかし実際の水圧は、深さだけで完全に決まるわけではありません。同じ深さでも、淡水か海水か、水温や塩分がどう違うか、表面にどれだけの圧力がかかっているかによって値は少し変わります。
水圧に条件による違いが生じるのは、静止した液体の圧力が主に「表面の圧力」「液体の密度」「重力」「深さ」で決まり、海水では密度そのものが水温・塩分・圧力によって変化するからです。
基本式は単純ですが、実際の海や装置では条件が変わります。この記事では、淡水と海水、温かい水と冷たい水、塩分の高い水と低い水、浅海と深海などを比較しながら、水圧の違いがどこから生まれるのかを整理します。
水圧の基本は「表面圧力＋ρgh」
一定密度の静止した液体では、深さhにおける圧力Pは
P = P0 + ρgh
と表せます。
P0は液面にかかる圧力、ρは液体の密度、gは重力加速度、hは液面からの深さです。
OpenStaxも、一定密度の流体では深さによる圧力増加がρghで表されると説明しています。
この式から、同じ深さでも密度や表面圧力が違えば圧力が変わることがわかります。また重力加速度が違う環境でも圧力差は変化します。
深さが違えば、水圧は大きく変わる
最も大きな違いを生む条件は深さです。
深い場所ほど、その地点より上にある水の量が多くなります。その水の重さを支える必要があるため、下へ行くほど圧力は高くなります。
海では、おおよその目安として約10m深くなるごとに約1気圧分の圧力が増えます。NOAAも、海中では約10.06m深くなるごとに約1気圧増えると説明しています。
ただし、これは目安です。深海では海水密度が圧力によって少し増加するため、単純に一定密度として計算した値とは差が生じます。
淡水と海水では、同じ深さでも水圧が少し違う
同じ深さ、同じ表面圧力、同じ重力条件なら、密度が大きい液体ほどρghが大きくなります。
海水には塩分が含まれているため、一般に淡水より密度が大きくなります。そのため、同じ深さなら海水中の方が淡水中より圧力増加が少し大きくなります。
違いは浅い場所では小さくても、深さが大きくなると積み重なります。
JAMSTECは、海水密度が水温、塩分、圧力によって変化し、その密度の違いが深海の圧力計算に影響すると説明しています。
塩分が高いほど、一般に水圧は大きくなりやすい
海水では、塩分が高くなると単位体積あたりの質量が増え、密度が高くなる傾向があります。
したがって、同じ深さ・同じ水温なら、塩分の高い海水ほどρが大きくなり、深さによる圧力増加も大きくなります。
ただし実際の海では、水温と塩分が同時に変化します。塩分だけを見て圧力を決めることはできません。
NOAAの海洋観測でも、水温と塩分は海水密度を決める主要な要素として扱われています。
水温が違うと、密度が変わって水圧にも差が出る
一般に水は温度が高くなると膨張し、密度が小さくなる傾向があります。
そのため、他の条件が同じなら、暖かい水より冷たい水の方が密度が大きく、同じ深さでの圧力増加もやや大きくなる傾向があります。
NOAAも、冷たい海水は暖かい海水より密度が大きいことを説明しています。
ただし淡水には約4℃付近で密度が最大になるという特有の性質があります。したがって「温度が低ければ低いほど必ず密度が大きい」と単純には言えません。
海水では塩分も加わるため、実際の密度は水温と塩分を組み合わせて求めます。
深海では「圧力による圧縮」も密度を変える
液体は気体に比べて圧縮されにくいものの、完全に圧縮されないわけではありません。
深海では非常に大きな圧力がかかるため、海水はわずかに圧縮されて密度が高くなります。
その結果、深くなるほど「上にある海水の平均密度」が一定ではなくなり、ρを固定した単純計算との差が少しずつ大きくなります。
JAMSTECは、水深6500mなどの深海では、水温・塩分・圧力による密度変化を考慮すると、単純な目算より圧力が高くなることを具体例で示しています。
深海探査機の設計では、こうした違いを無視できません。
同じ「水深10m」でも絶対圧は表面圧力で変わる
水面が大気に開いている場合、水面には大気圧がかかっています。
そのため、水中の絶対圧は「大気圧＋水によるρgh」です。
一方、密閉されたタンクで水面上の気体を加圧すれば、P0が大きくなるため、水中の絶対圧もその分だけ高くなります。
逆に、水面上を減圧すれば、水中の絶対圧も低くなります。
したがって「水深が同じなら圧力も同じ」という説明は、表面圧力が同じという条件が必要です。
ゲージ圧と絶対圧では、同じ場所でも数値が違う
圧力は基準の取り方によって表し方が変わります。
絶対圧は完全真空を0として測る圧力です。
ゲージ圧は周囲の大気圧を0として測る圧力です。
海面付近の開放水面から深さ10mに潜った場合、水による圧力増加はおよそ1気圧なので、ゲージ圧は約1気圧です。一方、絶対圧では水面の大気圧も加わるため、およそ2気圧になります。
水圧を比較するときは、どの基準で圧力を表しているかを確認する必要があります。
地球上でも重力の違いで水圧はわずかに変わる
式ρghには重力加速度gが含まれています。
地球の重力加速度は、緯度や標高によってわずかに変化します。
そのため、同じ密度、同じ深さでも、厳密には場所によって水圧が少し違います。
JAMSTECは、同じ深さの海でも緯度による重力加速度の差を考慮すると圧力がわずかに変わることを示しています。
日常的な深さでは無視できることが多い差ですが、深海の精密な観測では考慮されます。
地球と月や他の惑星では、水圧の深さ変化も変わる
もし同じ液体を別の天体に置いたとすると、重力が違うため同じ深さでの圧力差も変わります。
重力が地球より小さい場所では、同じ液体・同じ深さでもρghは小さくなります。
逆に重力が大きい場所では、深さによる圧力増加も大きくなります。
水圧は「水だけの性質」ではなく、液体の密度と重力場の組み合わせで生じる量です。
水と油では、同じ深さでも圧力が違う
水圧の仕組みを理解するには、水以外の液体と比べるとわかりやすくなります。
OpenStaxは、圧力の深さ変化が流体密度ρに比例することを示しています。
油のように水より密度が小さい液体では、同じ深さでも圧力増加は水より小さくなります。
反対に、水銀のように密度が大きい液体では、同じ深さでも圧力増加は大きくなります。
つまり「深さ1m」という条件だけでは圧力は決まりません。どの液体か、つまり密度がいくらかが重要です。
容器の形や水の総量が違っても、同じ条件なら同じ深さの圧力は同じ
細長い容器と横に広い水槽を比べると、入っている水の総量は大きく異なります。
しかし、同じ液体、同じ表面圧力、同じ深さ、同じ重力なら、その地点の静水圧は基本的に同じです。
これはP=P0+ρghに容器全体の幅や総水量が入っていないためです。
水圧の違いを考えるときは、「水が何リットルあるか」より「どの深さで、どの密度の水か」を見る必要があります。
流れている水では、深さだけの比較では不十分
ここまでの説明は、基本的に静止した水についてのものです。
水が速く流れている場合には、圧力だけでなく流速や高さの変化も関係します。
理想化した流れでは、ベルヌーイの式
P + (1/2)ρv2 + ρgy = 一定
によって、圧力、流速、高さの関係を考えます。
そのため、流れている配管やノズルでは、同じ深さでも流速が違えば静圧が異なる場合があります。
「水圧を比較する」というときは、静止した水の静水圧なのか、流れの中の圧力なのかを区別することが大切です。
海水密度を測るときは、水温・塩分・圧力をまとめて見る
実際の海洋観測では、水温だけ、塩分だけを別々に見るのではありません。
NOAAのCTD観測では、電気伝導度、温度、圧力を測り、塩分や深さ、密度を求めます。
海水の密度は温度と塩分に強く依存し、深海では圧力による圧縮の影響も加わります。
そのため精密な海洋観測では、単純なρ=1000 kg/m3という近似ではなく、その場の海水状態から密度を計算します。
水圧の条件差を整理すると
| 変わる条件 | 水圧への影響 | 主な理由 |
|---|---|---|
| 深さが大きい | 大きくなる | 上にある水柱の重さが増える |
| 塩分が高い | 同じ深さなら大きくなりやすい | 海水密度が高くなる |
| 水温が高い | 一般には小さくなりやすい | 熱膨張で密度が下がる傾向 |
| 深海で圧縮される | 単純計算より大きくなりやすい | 圧力で海水密度が増える |
| 表面圧力が高い | 絶対圧が高くなる | P0が加算される |
| 重力が大きい | 大きくなる | ρghのgが増える |
| 液体の密度が大きい | 大きくなる | ρghのρが増える |
水圧を比べるときに注意したい三つのこと
第一に、絶対圧とゲージ圧を混同しないことです。水面が大気に開いている場合、絶対圧には大気圧が含まれます。
第二に、ρghで使う密度を何としているかを確認することです。浅い淡水なら一定密度近似で十分でも、深海では水温・塩分・圧力による変化を考える必要があります。
第三に、静止流体か流れている流体かを区別することです。流れがある場合には流速や圧力損失も関係します。
まとめ
水圧に条件や物質による違いが生じるのは、静止した液体の圧力がP=P0+ρghで表され、表面圧力P0、密度ρ、重力g、深さhが変われば圧力も変わるからです。
海水では密度ρが一定ではなく、水温、塩分、圧力によって変化します。そのため同じ深さでも、淡水と海水、暖かい海水と冷たい海水、塩分の異なる海水では水圧に差が生じます。深海では水自身の圧縮も無視できなくなります。
また、同じ深さでも表面圧力が違えば絶対圧は異なり、重力条件が違えば深さによる圧力増加も変わります。一方、静止した同じ液体なら、容器の形や水の総量そのものは同じ深さの圧力を決める主要因ではありません。
水圧の違いを正しく理解するには、「深さだけ」を見るのではなく、密度を決める水温・塩分・圧力、表面圧力、重力、そして流れの有無まで条件を分けて考えることが重要です。
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参考資料
- 海洋研究開発機構（JAMSTEC）「海洋観測コラム：深さと圧力」
- NOAA「How does pressure change with ocean depth?」
- NOAA「Why does the ocean get colder at depth?」
- OpenStax「Fluids, Density, and Pressure」
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