温かい水は上がり、冷たい水は沈む。対流の説明を習ったあとで、冬の湖の図を見ると「一番冷たい水が底へたまって、底から凍るのでは」と考えたくなります。しかし、水の密度は、温度が下がるほどずっと大きくなるわけではありません。普通の大気圧では、純粋な水の密度は約4℃で最大になります。
4℃より低い温度へ冷やすと、液体の水の密度は逆に小さくなります。この性質が、淡水の湖が表面から凍る仕組みに関係します。ここでは塩分が少なく、ある程度深さのある湖を単純化して考え、海水や、底まで凍る浅い水たまりと区別します。
密度を比べるときは、同じ体積で
「4℃の水が一番重い」とだけ覚えると、コップ一杯と浴槽一杯を比べてもよいように聞こえます。正確には、同じ体積の水で比較したとき、約4℃の水の重さが最大になるということです。水100gを冷やしたから、その100gが勝手に増えるという意味ではありません。
出入りのない水を冷やすと、重さは変わらず、体積が変化します。密度は重さを体積で割った値なので、体積が小さくなると大きくなります。4℃を境に何が折り返すかは、同じ重さの体積で考えても、同じ体積の重さで考えても説明できます。ただし途中で比較の基準を変えないことが大切です。
表面の水が冷える、二つの段階
秋から冬へ向かって、表面の水が8℃から4℃へ冷える場面を考えます。この範囲では冷えた水の密度が大きくなり、下へ移動しやすくなります。下から水が上がってくることで、湖の水が混ざる動きにつながります。「冷たい水が沈む」という理解が使える範囲です。
ところが、表面の水が4℃から2℃、さらに0℃へ冷える段階では、4℃の水より密度が小さくなります。冷えた水は表面側に残りやすくなり、表面で氷ができ始めます。4℃を越えて同じ説明を続けていたら、そこで矢印を描き直しましょう。
水面の氷と、その下の液体は別の状態
氷は液体の水より密度が小さいため、水面に浮きます。表面が氷に覆われても、その下がすべて同じ厚さの氷になったとは限りません。深い淡水の湖では、下に液体の水が残ることがあります。これは水の温度による密度の変化と、氷が浮く性質を組み合わせて考える場面です。
ただし、「どの湖でも底は必ず4℃」という規則ではありません。深さ、風による混合、川からの流入、冷える期間などで状態は変わります。塩分や圧力の条件が違う海へ、淡水の模型をそのまま写すこともしません。本文の模式図は、原理を説明するための一つの状態です。
例題1｜冷やせば、いつでも密度が増える？
普通の大気圧で、純粋な液体の水Aを8℃から4℃へ、水Bを4℃から1℃へ冷やします。水の出入りはなく、凍結もしないものとします。密度が大きくなるのはどちらですか。もう片方の密度はどう変わりますか。
答え・解説： Aの密度は大きくなり、Bの密度は小さくなります。約4℃が最大なので、そこへ近づく変化と、そこから離れる変化を分けます。どちらも温度が下がっているという共通点だけで、同じ矢印にはできません。また、どちらの水も重さが減ったり増えたりしたという答えにはなりません。
例題2｜同じ体積の重さで確かめる
読み取り練習の模型として、同じ100cm³の液体の水を比べた表に、Aは99.9g、Bは100.0gと書かれていました。AとBの密度を求め、密度の大きい方を選んでください。また、この二つの重さだけから、Aの温度を1℃と特定できますか。
答え・解説： Aは99.9÷100＝0.999g/cm³、Bは100.0÷100＝1.000g/cm³で、Bの方が大きいと分かります。ただし、この数字は比較のために置いた値で、温度表ではありません。Aを1℃と特定することはできません。水の密度は約4℃の両側で小さくなるため、密度だけから温度を一つに決められない場合もあります。
温度の図に、上下の矢印を付け足す
湖の図を解くときは、表面を冷やす矢印と、水自体が動く矢印を分けます。熱が外へ移ることと、水の塊が上下へ移ることは同じではありません。まず各場所の温度を見て、同じ体積ならどちらが重いかを考えてから、動きやすい方向を描きます。
「寒いから下」という言葉だけで進めず、比べている温度が4℃より上か下かを確かめてください。普段使える説明にも適用できる範囲があります。その範囲を越えたとき、知っている言葉を増やすより、元の条件へ戻ることが役に立ちます。
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密度のグラフを読む場合も、山の頂上が『温度の最高値』を意味するのではありません。横軸が温度、縦軸が密度なら、頂上が示すのは密度の最大です。同じ高さの横線が山の左右で交わる図を想像すると、密度が等しくても温度が異なる場合を理解できます。軸の名前を書き込むことが、湖の上下関係を読む準備になります。