枝が透明な氷で覆われている写真を見たとき、「氷の粒が降ってきた」とは限りません。液体の雨滴が枝に当たり、そこで凍りついてできる雨氷があります。落ちている途中の状態と、付着した後の状態を分けると、雪や凍雨との違いが読みやすくなります。
氷点下でも、液体のままの水がある
水は通常、凍る条件で氷になりますが、0℃より低い温度でも液体の状態を保つことがあります。これが過冷却です。過冷却の雨滴が冷えた物体に当たって凍ることは、雨氷を生じさせる代表的な過程です。「温度がマイナスだから、落下中から必ず氷」と決めないでください。
上空に暖かい層があって雪がいったんとけ、その下の冷たい空気を落ちてくる場合など、降水が通った高さごとの温度が重要になります。地上の温度計一つだけでは、通り道のすべては分かりません。地上付近が氷点下という条件が同じでも、雨滴が途中で凍ったか、液体で到達したかによって、見える現象が変わります。
降る物の名前と、付着物の名前
凍雨は、雨滴が凍って落下する氷の粒です。雨氷は、物の表面を覆う氷として観察します。片方は落ちてくる粒、もう片方は付着してできたものなので、写真で見る場所が違います。枝の写真だけで落下中の粒まで見えたことにはならないため、降水の観察記録と組み合わせて考えます。
樹氷などの霧氷は、小さな雲粒や霧粒などが付着する過程に関係します。雪が枝に積もったものも、別に区別します。ただ白いか透明かだけで、全ての成因を完全に判定するのは難しい場合があります。気温、風、降っていた物、付着の仕方を合わせて読むことが必要です。この記事の図は、複雑な自然現象のうち代表的な二つの経路を取り出しています。
例題1 凍る前と後をたどる
観測Aでは、地面へ落ちる直前まで液体の雨滴が見られ、冷えた枝に当たると氷の膜ができました。観測Bでは、地面に届く前から透明な氷の粒が落ちていました。雨氷の形成を示すのはA・Bのどちらですか。
答え・解説： Aです。雨滴が物に当たって凍り、表面へ付着しています。Bは凍雨の説明に当たります。両方とも最後に氷が見えるので、最終状態だけでは区別できません。「どの時点で凍ったか」を時間の矢印に沿って答えることが、現象の名前を選ぶ根拠になります。
枝が重くなるのは、外から水が加わるから
枝に氷が増えると、枝が支える質量も増えます。凍ったから水の質量が増えるのではありません。外から次々に雨滴が付着しているためです。同じ水を閉じた容器で凍らせる場合の質量保存と、外から水を受け取る枝の観察を混ぜないようにしましょう。
ただし、枝へ向かってきた水が全て残るとは限りません。流れ落ちる分、はね返る分、とけて落ちる分などもあります。付着した氷の質量を求める問題では、入ってきた量と外へ出た量を整理します。凍ると体積が変わることもありますが、その話を質量の増減と取り違えないことが大切です。
例題2 付着した氷の重さ
枝を含む模型の質量は、実験前に400gでした。模型へ合計120gの水が届き、そのうち30gは流れ落ちました。残りは全て氷として付着し、蒸発や他の出入りはないとします。実験後の模型と氷を合わせた質量は何gですか。
答え・解説： 残った水は120－30＝90gなので、400＋90＝490gです。水が氷へ変わったことを理由に、さらに何割か増やしてはいけません。状態が変わっても、残っている物質の質量はこの収支で数えます。問題が体積を尋ねるなら、氷の密度など別の情報が必要です。
写真から分かる範囲を守る
透明な氷で覆われた枝の写真からは、付着範囲や氷の厚さの様子を観察できます。しかし、その一枚だけで何時間かけてできたか、雨量が何mmだったかまで逆算することはできません。枝の太さ、向き、風などが付着の仕方に関わるためです。時間を追った記録があれば、増え方を比べることができます。
この現象を見つけても、氷のついた枝や電線の下へ近づいて確かめる必要はありません。落下や折損の危険がある場所は避け、気象台などの記録を教材として使えます。図へ「空中では液体」「表面で固体」と書き加えるだけでも、温度と状態を結びつける良い練習になります。
液体が氷点下にある状態は過冷却の水、別の氷のでき方は霜柱の水の出どころで比べられます。
実験前から模型に水滴がついていた場合には、その水を開始時の400gに含めたかも重要になります。乾いた模型を最初に量った記録と、濡れた模型を最初に量った記録は、同じ基準ではありません。質量計のゼロをいつ合わせたか、容器や受け皿を含むかまで図の枠で囲って示すと、凍結の話と測定範囲の話を切り分けられます。