中学受験理科｜氷が地面を丘にする？｜ピンゴの断面と融解後の変化

平らな寒冷地の地面に、内部へ大きな氷の核をもつ丘ができることがあります。ピンゴと呼ばれる地形です。丘だから火山、丸い形だから土砂の山、と外見だけで決めることはできません。内部の断面や地温の記録を組み合わせて、その丘を作る材料を考えます。

土の下にある氷を確かめる

ピンゴは永久凍土地域に見られる氷核をもつ丘です。地下の水が凍ることと地面の盛り上がりが関わりますが、水の供給や凍結の進み方には異なる型があります。ここではすべての形成を一つの手順へまとめず、氷が丘の内部を占めるという断面の特徴に注目します。

地表に土や植物があれば、写真だけでは氷が見えないこともあります。地面を調べた断面、内部の物質、温度などの情報が必要です。表面が夏に暖かくなることと、その下に氷が存在することも両立します。地表の気温一つから、内部の状態まで決めないようにしましょう。

図：永久凍土の定義ではなく、氷核を持つ丘と内部構造の根拠。数値は本文の例題条件に対応する模型です。

内部の氷がとけると、支えを失った地面が変形し、くぼみなどが残る場合があります。ただし、氷の体積が減った分だけ頂上が同じ形を保って下がるとは限りません。土が横へ崩れたり、水が出入りしたりするためです。

模型で体積を計算する場合には、氷が占める範囲と、土砂の範囲を分けます。「丘全体の体積」と「氷の体積」が別々に与えられるのはそのためです。氷を含む丘の全体が、同じ密度の氷だとして重さを求めることはできません。

内部の氷の体積が500立方m、氷の密度を1立方mあたり900kgとする模型を考えます。氷がすべてとけ、水の密度が1立方mあたり1000kgなら、水は何立方mになりますか。蒸発や流出はまだ起きていません。

答え・解説： 氷の重さは500×900＝450000kgです。水の体積は450000÷1000＝450立方m。とける前後で重さは同じですが、体積は50立方m減ります。体積が減ることを、水が50立方mぶん消えたと説明してはいけません。

例題1の水450立方mのうち、60%が外へ流出しました。残った水が面積300平方mの水平な底をもつくぼみにたまると、水深は何mですか。ほかの流入と蒸発は考えません。

答え・解説： 残るのは40%なので450×0.4＝180立方m。水深は180÷300＝0.6mです。氷の元の500立方mを使わず、とけた水量、流出、残量の順に追います。実際のくぼみがこの形になるという予測ではなく、条件付きの体積模型です。

高さが同じ丘でも、底面積が違えば体積は異なります。さらに氷核の割合が違えば氷の量も変わります。頂上が何mという一本の測定値だけで氷の体積を求めることはできません。断面の寸法や形が必要です。

比較写真では、撮影地点や倍率によって丘の大きさの印象が変わります。前後の変化を調べるなら、共通の基準点から測った高さや断面を使います。周囲の地面自体が変動した場合には、頂上と周囲との差だけでなく、基準の安定性も考えます。

永久凍土は、一定期間にわたり温度が低いという条件で定義される地面であり、すべてが純粋な氷のかたまりという意味ではありません。土や岩と氷が含まれる状態を区別します。ピンゴの氷核という特徴を、永久凍土全体の断面へそのまま広げてはいけません。

また、地形名からその日に中の氷がどれだけ残っているかを確定することもできません。変化途中の地形を扱う資料なら、観測時期が重要です。古い断面図と今年の温度測定を、同じ時点のデータとして混ぜないようにします。

火山か氷の丘かを見分ける問題で、丸い外形だけを根拠にするのは弱い説明です。氷の核が確認されたこと、周囲の凍土環境、内部構造など、直接関係する資料を選びます。水がたまったくぼみがあるだけでも、原因は一つに決まりません。

この題材では、表面の姿と内部の材料を分けることが出発点です。次に、状態変化で保存される重さと変わる体積を整理します。珍しい地形の名前でも、氷と水の基本的な関係を使えば、提示された模型を筋道立てて読み解けます。

ピンゴの模式断面に描く氷核は、溶岩や地下の空洞を表すものではありません。丸い輪郭だけを別の地形の図から借りると、内部の塗り分けを取り違えやすくなります。図の色ごとに氷、土、周囲の地面という凡例を付ければ、どの部分がとける設定かを指で確かめられます。

体積計算で密度を使うときにも、氷の密度を土砂へ掛けないことが大切です。例題1の450000kgは氷核だけの重さで、丘全体の重さではありません。土の密度や体積が与えられていなければ、丘全体の重さは計算不能です。解ける数値と不足する情報を分けることができます。

長年の変化を示す資料では、測った年を横に並べ、高さの変化率を区間ごとに比較します。最初の二年間の変化を十年先まで直線で延長するには、同じ速さで進むという条件が必要です。地中の水や氷の状態が変わる地形では、単純な外挿を観測事実と同じに扱わないようにします。