砂浜や砂丘にできるさざ波のような模様は、
なぜあんなに規則正しく並ぶの？
風が吹いたあとの砂の上には、細かい筋の模様がきれいに並びます。だれかが定規を当てて並べたわけではありません。答えは「砂つぶが転がらず、跳ねて進む」ことにあります。跳ねる距離がだいたいそろっているから、模様の間隔もそろうのです。
海辺を歩いていると、乾いた砂の上にさざ波のような細かい筋が広がっています。手のひらほどの間隔で、どこまでも同じように続いています。
足で踏むと、その部分だけ模様が消えます。けれども少し風が吹いた次の日に来ると、また同じような筋が戻っています。
この模様は「風紋（ふうもん）」と呼ばれます。雪の積もった原っぱにも、よく似た模様ができます。だれも並べていないのに、なぜ間隔がそろうのでしょうか。
理由は、大きく2つだけです
風に押された砂つぶは、地面をずるずる滑るのではありません。いったん浮き上がり、弧をえがいて飛び、着地します。そして着地の衝撃で、そこにいた別の砂つぶをはじき飛ばします。この繰り返しで砂は移動していきます。
砂面にほんのわずかな盛り上がりができると、その風上側の坂に砂つぶが集中して当たります。逆に風下側は「影」になり、当たりにくくなります。こうして小さな段差は消えるどころか、どんどんはっきりしていきます。
この2つが組み合わさると、模様は「できる」だけでなく「間隔がそろう」ようになります。順番に見ていきましょう。
砂つぶは、飛んで着地して、また別のつぶを飛ばす
強い風でも、砂つぶを空高く舞い上げる力はふつうありません。上がるのはせいぜい数センチから十数センチほどです。飛んだ砂つぶは、ゆるやかな弧をえがいて斜めに落ちてきます。
大事なのは、その着地です。落ちてきた砂つぶは、地面にいた別の砂つぶを何粒もはじき飛ばします。飛ばされた砂つぶがまた着地して、次をはじく。砂の移動は、風が直接運んでいるというより、この「玉突き」で進んでいきます。
そして、飛ぶときの角度と距離は、砂つぶの大きさと風の強さがだいたい同じなら、あまりばらつきません。つまり、着地する場所には「ちょうどよい間隔」が生まれます。図1を見てください。
なぜ、でこぼこは消えずに育つのでしょう
ふつうに考えると、砂の上のわずかな段差はすぐならされてしまいそうです。ところが風紋の場合は逆で、いちど段差ができると、それが自分を大きくする方向に働きます。
ななめに飛んでくる砂つぶから見ると、盛り上がりの風上側の坂は「正面から向き合う面」になります。ここには同じ広さあたり多くの砂つぶが当たり、その分たくさんの砂がはじき出されて、風下へ運ばれます。運ばれた砂は、次の盛り上がりの手前にたまります。
反対に、山の風下側は飛んでくる砂つぶの陰になり、当たる数が少なくなります。だから、そこは削られずに残ります。結果として、風上がなだらかで風下が急という、左右で形の違う山に落ち着きます。
そして、飛ぶ距離がだいたいそろっているので、砂がたまりやすい場所も一定の間隔で現れます。近すぎる山どうしはやがて片方が消え、離れすぎたところには新しい山が生まれます。こうして、時間がたつほど間隔はそろっていきます。
粗い砂ほど、風紋のはばは広くなる傾向があるとされています。海辺のさらさらした砂ではおおむね数センチから十数センチほどですが、砂利まじりの場所では数十センチになることもあります。模様のはばは、その場の砂の粗さを映した「ものさし」でもあるわけです。
火星の地表を撮った写真には、地球の砂丘とよく似た風紋が写っています。空気の濃さも重力もまるで違うのに同じような形ができることは、この模様が「砂つぶが跳ねて進む」という単純なしくみから生まれていることを示しています。
まとめ
風紋は、だれかが並べた模様ではありません。砂つぶが跳ねて進むこと、そして小さなでこぼこが自分で育つこと。この2つだけで、あの規則正しい筋は自然に生まれます。
砂は運ばれているのではなく、
跳ねながら、自分で模様を刻んでいます。
「小さな乱れが自分で育っていく」という筋書きは、自然のあちこちに出てきます。川がまっすぐ流れずに曲がっていく話は川はなぜまっすぐ流れず、蛇行するの？で、化学のはたらきが規則的な模様を描く話は貝殻の模様は、なぜあんなに規則正しいの？で扱っています。
- 浅い箱やお盆に、乾いた砂（または細かい塩や砂糖）を1センチほどの厚さに広げ、表面を平らにならします。
- 横からうちわであおぐか、送風機の弱い風を当て続けます。真上からではなく、できるだけ低い角度から当てるのがコツです。
- 数分たったら、表面をななめ横から見てみましょう。細かい筋が同じ間隔で並んでいれば成功です。粒の粗いものと細かいもので、筋のはばを見くらべてみてください。
粒が飛び散るので、屋外か、まわりに新聞紙を敷いた場所で行ってください。粉が舞うものは目に入らないよう気をつけましょう。
もっと知りたい人へ ― 用語・数式・教科書とのつながり中学理科から大学の専門科目まで、どのレベルの話かを明示しています
- 中学中学校の理科で習う範囲
- 高校高校の「物理基礎・地学基礎」で習う範囲
- 高校＋高校の発展、または教科書のコラム扱いの内容
- 大学高校では習わない、大学の専門科目（地形学・流体力学）の内容
- 研究大学でも「定説」として教わらない、いま研究者が調べている最中の話
中学用語：この現象には名前があります
- 風紋：風によって砂の表面にできる、うねのような細かい模様。となりあううねの頂上と頂上の間の長さを「はば（波長）」と呼びます。
- 跳躍（ちょうやく）：砂つぶが浮き上がって弧をえがき、着地してまた別のつぶをはじき飛ばす動き方。砂が運ばれる量の大半は、この動き方が担っているとされています。
- 動き出す風の強さ：砂つぶが飛び始めるのに必要な、地表近くの風の強さのめやす。これより弱い風では、砂の表面はほとんど変わりません。
中学高校式で確かめる：風紋は半日でどれくらい動くのか
風紋は止まっているように見えて、風が吹いているあいだは風下へ少しずつ移動しています。砂が風上側の坂から削られ、風下側へ積もっていくためです。ここでは、その移動の速さを日常の感覚に直してみます。使う記号と単位は、次の表のとおりです。
| 記号 v | 風紋が風下へ動く速さ。単位は「センチメートル毎分」 |
| 記号 t | 風が吹き続けた時間。単位は「分」 |
| 記号 L | 風紋が動いた距離。単位は「センチメートル」または「メートル」 |
| 風紋が動く速さ v | およそ 3 センチメートル毎分とされています |
| 風が吹き続けた時間 t | 6 時間 |
| 1 時間は | 60 分 |
| 吹いた時間を分に直す | 6 × 60 ＝ 360 |
| 動いた距離を求める（センチメートル） | 3 × 360 ＝ 1080 |
| メートルに直す | 1080 ÷ 100 ＝ 10.8 |
半日ほど風が吹くだけで、模様全体が10メートルほど風下へずれる計算になります。ひとつひとつの山は、砂つぶを風上から風下へ受け渡しながら、形をたもったまま移動していきます。海辺で見る風紋が「昨日と同じ場所にある」ように見えても、中身の砂はすっかり入れかわっているわけです。
高校高校＋なぜ「はば」が決まるのか
高校飛んでいる砂つぶには、重力と、風から受ける力がはたらいています。ななめに投げ上げられた物体の運動とほぼ同じで、跳び上がる高さが決まれば、落ちるまでの時間が決まります。その時間だけ風に流されるので、飛ぶ距離もおおよそ決まります。
高校＋古い説明では、この「平均の飛距離」がそのまま風紋のはばになると考えられていました。ただし実際の砂丘で測ると、はばは飛距離よりかなり短いことが多く、いまでは、着地の衝撃ではじき出された砂の量が場所ごとに違うこと自体が模様の間隔を決めている、と考えられています。
大学不安定と、模様の選ばれ方
平らな砂面に、ごく小さな波打ちを加えたとします。その波打ちが時間とともに大きくなるか小さくなるかは、数式の上で調べることができます。この調べ方を線形安定性の解析といいます。砂面の場合、ある範囲のはばだけが成長し、それより短いものも長いものも消えていくという結果になります。もっとも速く成長するはばが、最初に目に見える模様として現れます。
さらに時間がたつと、となりあう山どうしが合体したり、遅い山が速い山に追いつかれたりして、はばは少しずつ広がっていきます。この「模様の粗大化」は、水面の波や結晶の成長など、まったく別の分野にも共通して現れる性質として研究されています。
研究まだはっきりとはわかっていないこと
- はばを決めているものは何か。 飛距離で決まるという説明は現在では不十分とされていますが、では何がはばを決めているのか、決着はついていません。
- 湿り気の役目。 少しの水分は砂つぶどうしをくっつけ、飛びにくくします。海辺の砂は場所によって湿り気が違いますが、その影響を数値として組みこむ方法は発展の途中です。
- ほかの天体との比べ方。 火星の風紋は地球のものより大きく、しくみが同じなのか別なのか、観測と実験の両面から議論が続いています。
つまりこの記事の内容も、「いまわかっている範囲での説明」です。目の前の砂浜の模様にも、まだ答えの出ていない問いが埋まっています。
教科書とのつながり（レベル別）
| レベル | 科目・単元 | この記事のどこ |
|---|---|---|
| 中学 | 理科・大地の変化（風や水のはたらき） | 砂が運ばれて地形が変わる話 |
| 高校 | 物理基礎（放物運動）・地学基礎（風のはたらき） | 砂つぶが弧をえがいて飛ぶ部分 |
| 高校＋ | 物理の発展（衝突と運動量） | 着地した砂つぶが別のつぶをはじく部分 |
| 大学 | 地形学・流体力学・パターン形成論 | 不安定と模様の粗大化の節 |
| 研究 | 風でつくられる地形の研究、惑星地形学 | はばを決めるものは何か、という問い |
| ― | 生活とのつながり | 海辺や雪原で模様のはばを見くらべる観察 |
- R. A. Bagnold『The Physics of Blown Sand and Desert Dunes』（風で運ばれる砂の運動を体系的に扱った古典的な著作）
- アメリカ地質調査所（USGS）（風による地形の形成に関する解説）
- アメリカ航空宇宙局（NASA）火星探査のページ（火星の砂丘と風紋の観測画像）
- 日本砂丘学会の会誌に掲載された、鳥取砂丘の風紋の形成と移動に関する観測報告
- 地形学の教科書における、風によってつくられる地形の章
※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための目安・概算です。砂丘や海岸には立ち入りが制限されている場所があります。観察の際は、現地の表示や自治体等の指示に従ってください。