中学受験理科｜凍土の割れ目に氷が育つ？｜氷楔の収縮と凍結を分ける

寒い地域の地面に、多角形の模様が並ぶことがあります。凍った地面が強く冷えて収縮すると割れ目ができ、その割れ目へ雪解け水などが入り、地下の冷たい場所で凍ることがあります。こうした過程が繰り返されると、地下にくさび状の氷が育ちます。これが氷楔です。最初の割れ目ができる過程と、割れ目の中に氷が増える過程を、同じ一瞬の出来事にしないことが重要です。

凍った後でも、さらに冷えると収縮する

水が氷になると体積が増えるという知識はよく知られています。しかし、すでに固体となった氷や凍土の温度がさらに下がる場合は、液体から固体への切り替えとは別です。強い冷却による収縮で、凍土に引っ張り合う力が生じ、割れ目ができることがあります。「寒いから水が凍って押し広げた」と最初から最後まで一つの説明にしないようにします。

春などに表面の雪がとけて水ができても、その下の永久凍土は低温のままの場合があります。割れ目へ入った水がそこで凍れば、氷の細い筋が加わります。地表の水が液体であることと、地下の水が凍ることは同時に起こり得ます。深さごとに温度が違うためで、季節名だけで地面全体の状態を決めないことがポイントです。

割れ目の形成と氷の成長は別の段階。数値は本文の例題模型。形は模式図です。

例題1｜三角形の断面から体積へ

模型の氷楔を、上の幅0.4m、深さ2mの三角形が長さ5mにわたって同じ形で続くものとします。氷の体積を求めてください。すき間や内部の土は無視します。

答え・解説：断面積は0.4×2÷2＝0.4m²で、体積は0.4×5＝2m³です。幅と深さを掛けただけの0.8m²を使うと、三角形の外側まで含む長方形を数えてしまいます。これは形と体積を対応させる模型で、実際の氷楔がすべてまっすぐな三角柱という意味ではありません。

例題2｜とけた水は氷と同じ体積か

例題1の氷2m³がすべてとけたとします。氷の密度を水の0.9倍とし、質量は変わらず、水は外へ流れ出ないとします。水の体積と、初めの氷の体積との差を求めましょう。

答え・解説：水の体積は2×0.9＝1.8m³で、差は0.2m³です。固体から液体へ変わっても質量は保存されますが、体積は同じとは限りません。ただし、この0.2m³だけから地表が何cm沈むかは決まりません。土の変形や排水、どの面積に変化が及ぶかの情報が必要です。

多角形の線を見たら、地下の断面も考える

上から見える線状の模様は、地下へ伸びる氷の位置と関係します。しかし、表面の写真だけで氷の深さや幅を正確に求めることはできません。表面に見える溝が広くても、地下の氷が同じ幅で下まで続いているとは限らないからです。地図は水平の広がり、断面図は深さ方向のつくりを表すと分けて読みます。

似た多角形の模様には、乾いた泥の割れ目など別の原因もあります。多角形という形だけから永久凍土と断定せず、気候、地下の氷、地層の観察を合わせます。同じ形が異なる過程からできることは、理科の推論で注意したい点です。逆に、典型的な多角形が見えない写真一枚から、地下の氷が全くないとも言えません。

一年に一枚増える年輪と同じにしない

割れ目へ氷が加わる過程を、毎年必ず同じ厚さの氷ができる時計として扱うのは適切ではありません。冬の冷え方、水の供給、割れ目が開く位置によって成長は変わります。氷の帯の本数だけから年数を断定するには、帯のでき方を確かめる根拠が必要です。問題が一定の増加を仮定する場合と、自然の記録を読む場合を分けます。

また、氷楔がとければ土が支えを失って沈み、溝の形や水の流れが変わることがあります。とけた水がそのまま同じ場所に残るとは限りません。体積の計算では閉じた条件を置きましたが、自然の地面には流出入があります。写真の溝の深さと、失われた氷の体積を直接等号で結ばないようにしましょう。

冬の収縮、割れ目への水の流入、地下での凍結、長期の成長という順番を、四つの場面に分けて描くと理解が進みます。「凍ると膨らむ」という一つの知識を、使える場面へ正しく置く練習です。状態変化と、同じ状態のままでの温度変化は別だと押さえれば、初めての地形でも文章の因果関係を追えます。

地表の多角形だけで地下の氷の量は分からない

氷楔が発達した場所では、地表に多角形の模様が見られることがあります。しかし、上から見た区画の広さを、そのまま地下の氷の体積とすることはできません。地下の割れ目の幅と深さ、断面の形、つながる長さが必要です。例題が三角形の断面を与えているのは、表面写真だけでは不足する情報を補うためです。

同じ深さでも幅が二倍なら、三角形の断面積は二倍になります。幅と深さが両方二倍になれば四倍です。さらに奥行きも二倍なら体積は八倍になります。長さの倍率と体積の倍率を分ける練習として、氷楔の模型は使えます。ただし、自然の氷楔がいつも相似形で成長するという意味ではありません。計算のために同じ形の模型を比べていると明記します。

割れ目へ入る水は、地面の中で最初から凍っていた氷とは区別します。冷えることで割れ目が開く段階と、その割れ目へ入った水が凍る段階では、変化している対象と時期が異なります。この二段階を一つの瞬間の出来事として描くと、水が凍って膨らむから最初の割れ目が必ずできる、という誤解につながります。時間順の矢印で整理しましょう。

氷が融けた後の地表の高さは、融けた水が残るか流れ去るか、周囲の土が崩れるかによっても変わります。氷と水の密度差から求めた体積の差だけで、地盤の沈下量を決めることはできません。氷の体積と、土を含む地盤全体の体積は別の量です。沈下を計算させる設問なら、地表面積や排水、土の動きに関する条件を探します。

永久凍土という名称も、表面の土が一年中すべて凍っているという意味ではありません。夏に融ける表層と、その下の長期に凍った地盤を分ける必要があります。断面図では境界線の位置を読み、深さの基準が地表なのか、活動層の下端なのかを確認します。基準線が違う深さをそのまま足し引きしないことが、地学の図の計算を安定させます。