霜柱の水はどこから来る？｜霜との違いを、凍る前の状態から考える

寒い朝、土が細い氷の柱に持ち上げられていることがあります。霜柱です。白い氷が見えるので、草の表面に付く霜と同じでき方だと思いやすいのですが、水の出発点が違います。名前の「霜」だけでまとめず、凍る前の水がどこにあったかをたどってみましょう。

霜柱をつくる水は、土の中に含まれる液体の水です。地表付近が冷え、そこへ供給される水が凍ることで氷が育ちます。一方、霜は空気中の水蒸気から直接できる氷の結晶です。どちらも氷でも、前の状態まで同じではありません。

氷の柱だけでなく、その下の土を見る

霜柱の写真を観察するときは、白い部分の形だけでなく、氷が地面につながる位置や、上に乗った土の粒にも注目します。地表近くで氷が成長すると、土の粒を持ち上げることがあります。空から長い氷が降りてきて地面に刺さった、という場面ではありません。

土の中の水は、土粒どうしのすき間を通って、凍っている付近へ供給されます。成長するには、その供給が続く条件も必要です。表面の薄い水だけが一度凍った場合と、下から水が補われながら氷が伸びる場合を分けると、細長い姿の意味が見えてきます。

霜柱は土の中の液体の水が地表付近で凍る。空気中の水蒸気から直接できる霜とは、凍る前の状態が違う。

霜柱には冷え込みだけでなく、土の水分や土の性質も関係します。乾いた土なら材料となる水が少なく、舗装された面なら湿った土の表面と同じ条件にはなりません。冬の朝に隣り合う場所を見ても、できる所とできない所があるのは不思議ではありません。

ただし、「砂なら絶対にできない」「水が多いほど必ず高くなる」と一つの要因だけで断定するのも避けましょう。土のすき間、水の移動、温度の変化などが関わります。学校の比較実験では、土の種類を変えたのか、水の量を変えたのか、冷やし方も変わったのかを丁寧に読みます。

天気の記録にある気温は、地表の土そのものの温度ではありません。地面付近の冷え方によっては、気温の値と地表の温度が違うことがあります。「気温が零度より高いという記録だから、地表に氷があるはずがない」と、測った場所を無視して判断しないことが大切です。

逆に、最低気温だけが分かっていても、その庭の霜柱の高さまでは求められません。観測地点が離れている場合もあり、土の湿り方や日当たりも分かりません。数字が一つ与えられたときに、そこから言える範囲を広げすぎない練習になります。

冷えた葉や地物に付く霜は、水蒸気が直接氷の結晶になる現象です。霜柱のように、土の液体の水が供給されて伸びるものとは区別します。また、いったんできた露が凍る場面も、凍る直前には液体の水があるので、霜の説明とそのまま同じにはできません。

「水蒸気が冷える」という言い方だけでは、途中に水滴があるのか、直接氷になるのかが抜けてしまいます。ノートには、霜柱なら「土の中の液体の水→氷」、霜なら「空気中の水蒸気→氷」と書き、矢印の出発点を比べてみてください。

寒い朝、Aでは土の粒が細長い氷に持ち上げられていました。Bでは葉の表面に、水蒸気から直接できた氷の結晶が付いていました。AとBについて、氷になる前の水の状態と、主な出発場所を答えてください。

答え・解説： Aは土の中の液体の水、Bは空気中の水蒸気です。Aは霜柱、Bは霜に当たります。白く見えることや冷たいことは共通していますが、それだけではでき方の区別になりません。氷の形を見た後に、水がどこから来たかを確認します。

霜柱のでき方と土の湿り方の関係を調べます。Aは湿った土を屋外に置き、Bは乾いた別の種類の土を室内に置きました。Aにだけ霜柱ができたとき、水分だけの違いを調べた実験と言えるでしょうか。

答え・解説： 言えません。水分だけでなく、土の種類と置き場所も変わっています。同じ種類・同じ量の土を同じ形の容器に入れ、同じ冷え方になるように置くなど、比べたい条件以外の差を小さくする必要があります。この結果だけで、湿り方の影響の大きさまで決めることはできません。

日が当たると霜柱は融けて姿が変わります。朝に見た場所と昼に見た場所を、時刻を書かずに比べると、土の違いだけで消えたように読んでしまうかもしれません。同じ場所でも時間で変わるので、写真には時刻と日当たりの様子を添えます。

氷を取り出すとつながりが崩れるため、最初に地面にある状態を記録すると、土との関係が残ります。踏んだ感触だけで終わらず、上に何が乗り、下にどんな土があるかを見ると、身近な現象が条件を考える資料になります。大きな霜柱をつくる競争より、できた場所とできなかった場所の違いを一つずつ確かめてみましょう。