私たちはあるウェブサイトで「異なる色の川が合流後も混ざり合うことなく流れる」という現象について知りました。特に、アマゾン川支流のソリモンエス川とネグロ川は、合流後約6キロメートルにわたって混ざらずに流れるということを知り、興味を持ちました。

インターネットでその要因を調べたところ、二つの川は流速と水温が違うために混ざらないとありました。これについて私たちは疑問を抱き、その真偽を確かめるために実験することにしました。

このうち、流速や水温の差が影響する要因は“拡散”と“乱流”の二つです。

拡散については、川というマクロなスケールでは影響を無視しても良いのではないかと考えました。また乱流については、流速や水温に差があれば乱流が生じやすく、逆に混ざりやすいのではないかと考えました。

したがって、流速や水温に差が生じれば、川が混ざりにくくなるのではなく、逆に混じりやすくなるのではないか、と仮設を立てました。

実験１　流速と温度が同じ２つの水流の混合具合

実験２　流速だけが異なる場合の混合具合

実験３　水温が異なる場合の混合具合

実験はこの図のように、アクリル板で制作した川の模型を使用しました。模型の上流50㎝までは仕切り版で二つの水流を区切り、それ以降は混ざることができる仕組みになっています。

水を送り込むのにはサイフォンの原理を使用し、水槽の高さを変えることで流速の調整を行いました。サイフォンの原理とは、現地点以上に高い所を経由するとしても、液体は高いところから低い所へ移動するという性質です。

片方の水流は食紅で赤く染め、混ざり具合は合流地点から距離の異なる4点で採取した水を分光光度計によって506nm波長（食紅が最も強く吸収する波長）の吸光度によって測定しました。吸光度とは、その波長の光が物体によって吸収される比率のことです。

実験１、両側の流速と温度が一定であるときの結果です。

縦軸は着色率です。原液の吸光度を100%としたときの比を表します。横軸は合流地点からの距離です。黒いバーは、95%信頼区間というエラー幅です。

下流になるにつれて混合しているように見えますが、有意な差ではありませんでした。また、完全に混ざったと仮定すれば左右どちらも50%の混合率となるはずですが、そのような結果とはなりませんでした。

次は、両側の流速を同時に変えて実験しました。上のグラフが先ほどのグラフで、下の左右にあるグラフがより速い流速、より遅い流速で実験したものです。やはり優位な差は確認できず、「流速や水温が同じでも混ざりやすいとは限らない」と考えました。

二つの水流に速度差がある場合とない場合について実験しました。速度差が8.5cm/sの時の実験結果です。

こちらの右側のグラフでは、着色率はむしろ速度差がある方が下がっているように見えますが、左側の着色率の上げ幅には有意な差は認められませんでした。

そこで、速度差をさらに大きくして実験しました。

前回の約4倍の34.9cm/sの流速差をつけて実験したときの結果です。300㎝下流の地点ではほぼ着色率が同じなので、完全に混合したと言えます。むしろ速度差があるほうが混ざりやすくなったと結論づけました。

そこで、なぜ流速が異なると混ざりやすくなったのか考察しました。

流速が速い水流は、流量が多くなります。そのため、合流した後に流量が少ない水流の方へと広がりつつ流れます。そのために混ざりやすくなると考えました。

写真は、合流後の水路の一部です。写真上側から下側に流れていますが、確かに水流の速い透明な水が、遅い食紅水の方へと広がっています。

1.8度、5.7度の温度差をつけたときは、優位な差が認められませんでした。しかし、13.7度の温度差がある水流で実験したときは、混ざりやすくなりました。このことから、温度差はむしろ二つの水流を混ざりやすくしていると考えました。

これは、高温の水は膨張するので密度が低くなり、上に回り込むのに対して、低温の水は下に回り込むため、水流に対して左右方向に水を動かすためと考えられます。