石なのに水面を漂う軽石を見ると、「軽い石だから浮く」と答えたくなります。でも、軽いという言葉は、何と比べているのでしょうか。小さい石なら重さは小さくても沈みます。軽石を考えるときは、石をつくる物質そのものと、すき間の気体を含む全体を分けて見ます。
軽石には、マグマに含まれていた気体が泡となった跡がたくさんあります。気体を含んだ全体の平均的な密度が水より小さければ浮くことがあります。ただし、軽石ならどれでも必ず浮くわけではありません。穴の量だけでなく、水が穴の中へ入りやすいかも大切です。
石の重さを、見た目の大きさと組み合わせる
中まで詰まった石と、気泡を多く含む石を同じ大きさにそろえれば、後者では固体部分の占める割合が小さくなります。同じ大きさの中にどれだけ物質があるか、という見方です。「石の材料が水に浮く別の物質へ変わった」と考えなくても説明できます。
一方、外形の体積を測って重さを割るときには、そのすき間に何が入っているかを確認します。乾いた状態の空洞と、水に沈めて水が入り込んだ空洞は、同じ条件ではありません。水が自由に出入りする穴を、完全に閉じた気泡と同じように扱うと、浮力を大きく見積もることがあります。
閉じた泡と、通り抜ける穴
気体が閉じ込められる空洞なら、その部分には周囲の水が入りません。浮力を考える際には、水を押しのける部分になります。これに対し、表面から内部へ通じた細長い穴では、水が中へ入ることがあります。穴が多いという見た目だけでは、どちらなのかが決まりません。
JAMSTECの紹介する観察例には、ストローを束ねたような気泡の構造をもち、すき間が多くても気体を保ちにくく沈む軽石があります。これは、浮いた軽石だけを観察して「穴があれば浮く」と一般化しないための具体例です。浮かなかった試料も含めると、穴のつながり方という新しい条件が見えてきます。
例題1：閉じた空洞をもつ模型
軽石の考え方を整理する模型です。固体部分と、外から水が入らない閉じた空洞を合わせた体積が40cm³、全体の重さが24gでした。水1cm³の重さを1gとし、表面張力の影響は無視します。水中に全体を入れて手を離すとどうなりますか。また、水面で静かに浮いたとき、水中にある体積はいくらですか。
答え・解説： 全体が水中にあるときの浮力は40g重です。下向きの重さに対応する24g重より大きいので上がります。水面で静止して浮くと、24g重の浮力でつり合うため、水中にある体積は24cm³になります。
40cm³全部が水中にある状態と、水面から一部が出た状態を分けて答えます。浮いている最中も40g重で押し上げられ続ける、という説明ではありません。また、この計算は閉じた空洞を指定した模型です。水が入る実際の軽石へ、条件を確かめずそのまま当てはめないでください。
例題2：浸しておくと沈んだ
ある軽石は、初め水面に浮きましたが、長く浸しておくと沈みました。この結果だけで「石をつくる固体が、水を吸って必ず別の重い物質へ変わった」と結論できますか。気泡に着目すると、どのような可能性を調べられるでしょうか。
答え・解説： その結論にはできません。気体を含んでいたすき間へ水が入るなど、浮き沈みに関わる状態が変わった可能性を調べます。固体の化学変化を確かめた記録ではありません。取り出して量るなら、表面に付いた水と内部に残る水の扱いもそろえる必要があります。
ここで「水が入ったから重さが増えた」と考える場合は、内部の水も含む全体を比べています。固体と気体だけを一組にすれば、水の入らない体積が減ったと整理できます。二通りの説明で囲む範囲が違うので、水の重さを足しながら浮力側でも同じ水の影響を重ねて引かないようにします。
浜に着いた軽石は、噴火地点のすべてを代表する？
海岸で拾える軽石は、海を漂い、そこへ到達できたものです。噴火時に出た石のすべてが同じように浮いて、同じ場所へ来たとは限りません。早く沈む試料は、浜辺の採集だけでは見つけにくくなります。観察する場所によって、集まる試料に偏りができるのです。
また、漂流中には波や衝突で砕けたり、気泡へ水が入ったりします。漂着した粒の大きさをそのまま噴出時の大きさとみなすこともできません。火山の噴出物としての特徴と、運ばれる途中の変化を順に考えると、写真一枚から言える範囲がはっきりします。
浮く条件の基礎は重さと体積をそろえた密度の比較、水が入る範囲の整理は浮沈子の浮力にもつながります。軽石では「穴がある」で止めず、「その穴に水が入るか」を一つ加えて観察しましょう。