コップに入れた水を、冷凍庫の中に入れておくと、だんだん冷やされて、やがて固い氷になってしまいますね。冷やすだけなのに、水が固まってしまうのはとても不思議ですね。

　私達の身の回りには、水だけではなく“液体”のものがたくさんありますね。たとえば、台所には、牛乳や油、酢など、いろいろな液体があります。このような液体は、どれも冷やされると固くなってしまう性質を持っています。液体が固くなる温度は、その種類によって違います。水は、ちょうど０度で固い氷に変わります。

　ももさんのお家の台所にあるいろいろな液体を少しだけコップに入れて、冷凍庫で冷やしてみてください。水と同じように冷やされると固くなるはずです。もし、温度計があったら温度を測ってみると、どの温度で固くなるかが分かります。お父さん、お母さんといっしょに実験してみてください。 

　水が冷やされると固い氷に変わることは、この「雪と氷のQ&A」コーナーのQ23の回答にも説明があります。参考にして下さい。

（*漢字のふりがなつき回答はこちら）

（回答掲載日：2023年5月15日）

　容器に水を入れて冷やすと、必ずしも０℃で氷に変わるわけではなく、それ以下の温度でも液体のままで存在します。この過冷却の状態にある水は、水中のどこかに目には見えないほどの小さな氷の粒（氷の核）が発生すると、それをきっかけとして水全体が凍結を開始します。過冷却の度合い（過冷却度）が大きいほど、この氷の核のサイズが小さくなるという性質がありますので、過冷却度が大きくなるほどその状態を保つのは難しくなります。

　すなわち、過冷却水が凍ってしまうかどうかは、凍結のきっかけになる氷の核の出来やすさによって決まることになります。例えば、過冷却度は同じであっても、水中に小さなゴミなどがあると、それが氷の核の生成を助けます。また、過冷却水を入れている容器の表面に傷などがあると、やはり氷の核の生成を手助けします。すなわち、過冷却水を作りやすくするためには、ゴミを含まないきれいな水を使うことや傷などのない容器を選ぶことが鍵ということになります。

　では、このことを踏まえて、ご質問にある過冷却水の入った容器に衝撃を与えるとどうなるかを考えてみましょう。一般に、過冷却水の入った容器に衝撃を与えても、それ自体が氷の核の生成に何らかの影響を与えるかどうかは、実は良くわかっていません。容器に水を入れる時に、容器の上部には必ず隙間ができます。このため、容器を振ったり叩いたりすると、中の水は大きく揺すられて流動します。このような水の動きは、氷の核の生成を促進すると予想されます。すなわち、必ずしも“衝撃”自体が凍り始めるきっかけになるとは言い切れません。例えば、容器に完全に水を詰め込んで隙間がないほど密封すると、外部から容器に衝撃を与えても、そう簡単には凍り始めることはありません。すなわち、隙間がないので衝撃が与えられても水が流動しにくいからです。実際、私達は、ロケットの弾道飛行を利用して、無重力状態での氷結晶の成長実験を行ったことがあります。このときは、容器に密封した水を冷却して過冷却状態を作ってから打ち上げるのですが、ロケット打ち上げの激しい振動でもそれが原因で水が凍結することはありませんでした。このことからも、必ずしも衝撃そのものが、過冷却水を凍らせる原因とはならないと推測できます。

（密閉した容器に水を入れた場合、衝撃による流動は起こりにくいですが、衝撃による密度波が氷の核の生成に影響を与える可能性はあります）

（回答掲載日：2023年5月15日）

 　あんなに白くてきれいな雪が融けたあとというのは、確かに黒いものがいっぱい残っていて、きれいとは言えないですね。これは、積もった雪の中に何かが含まれていたということになります。その何かは、空から降ってきた雪そのものにすでに含まれていたものと、雪が積もってから紛れ込んだものの両方がありそうです。

　まず、空から降ってくる雪は、周囲の空気中に含まれているちりやほこりを表面にくっつけて降ってきます。雪が降ったあと、空気がきれいになった感じがすると思いますが、このためですね。雪がたくさん積もると、このちりやほこりの量も多くなるので、雪が融けたあとに黒っぽいものが残るということになります。

　さらに、雪が積もったあとも、積雪の表面には、大気中から砂粒や土ぼこりなどいろいろなものが降り落ちてきます。積雪内部では、バクテリアなどが繁殖することもあります。このような理由で、積もった雪は、時間とともにどんどん汚くなっていきます。このため、雪が融けきったときには、汚い黒いものが残ってしまうのです。

　もちろん、車が通る道路の脇とか、人が歩く歩道などでは、さらに真っ黒に汚れた雪をよく見かけますね。これは、車の走行や人間の活動にともなって、雪の中に泥や砂などが入り込むために起きます。このようなひどい汚れは、人間の活動の結果として起きるのだと言えそうですね。

（回答掲載日：2023年3月10日）

　 同じように積もった雪でも、融けるときには、融け方やそれにかかる時間が、場所によって異なりますね。雪が融けるには、さまざまなことが関係していますので、その理由を一つだけ述べることは、なかなか困難です。ご質問についても、いくつもの理由が考えられますが、以下の回答は一つの可能な答えとお考え下さい。

　まず、基本的なことから始めましょう。雪は小さな氷の粒が集まってできています。しかし、ある分量の雪が融けるために必要な熱の量は、同じ重さの氷の固まりが融けるときに必要な熱の量と同じはずですね。しかし、同じ場所に置いた雪と氷では、雪のほうが明らかに早く融けてしまいます。すなわち、雪や氷が融けるためには、必要な熱の量の違いだけではなく、それらに熱がどのようにして伝わるか、の違いが大事になります。

　このことを頭において、ご質問の答えを考えてみましょう。朝に降った雪を踏んで足跡をつけると、雪が圧縮されて固くなります。この固くなるということだけでは、逆に融けにくくなりそうですが、鳥取県のように比較的気温が高いと、踏み固められた雪は積もった雪の下にある水分を吸い上げて、黒っぽく見えるのではないかと思います。こうなると、雪は、少し暖かい水を含むことになりますので、周囲よりも早く融けても不思議ではなさそうですね。さらに、踏み固められた雪に水分が染み込むと、黒っぽくなりますので、そこに太陽の光が当たると熱を吸収しやすくなります。このことも、より早く融けるという理由の一つとも考えられます。このように、雪が融けるときに必要な熱が、どこからどのように来るのかを考えると、融ける早さの違いを自分で説明できると思います。

　最後に、木や草が1本飛び出している場所などでも、周囲の雪は早く融けるようだということ、確かにそうですね。これは、木や草は、地面から暖かい水を吸い上げているので、その幹の温度が周囲より高くなっているからと考えられます。すなわち、踏み固めた雪と同じで、吸い上げた水が暖かいということがその理由ですね。さらには、太陽からの熱は、木や草の黒っぽいものには吸収されやすく、それによっても幹の温度が上昇します。これも、幹の周囲の雪が早く融け出す理由になりそうですね。私は、雪の融け方を調べたことはありませんが、このような現象は「根開き」と呼んで、春先の雪融け時には顕著に見られるとのことです。

（回答掲載日：2023年3月10日）

ゆりぐみのみなさんへ

　とてもおもしろいものを、みつけましたね！すきとおったこおりなかにできているので、ちょっとみえにくいですね。でも、ちゅういして、かんさつしてくれたので、みつけられたのだとおもいます。かんしんしました。

　みなさんがみつけた、ゆきのけっしょうのようなものは、こおりのなかで、こおりがとけてできたものです。なまえは、「チンダルぞう」と、いいます。こおりに、たいようのひかりがあたると、あたためられて、こおりがとけます。こおりはすきとおっているので、なかでとけだすようすも、みえるのですね。そのとき、ゆきのけっしょうとおなじように、ふしぎと、ろっかくのかたちができるのです。これは、こおりのなかにできるので、「こおりのなかにあな」ができたということになりますね。このあなのなかには、こおりがとけてできたみずが、たまっています。

　こおりがとけてできたあなが、そらからふってくるゆきのけっしょうとおなじように、ろっかくのかたちをしているのは、とてもふしぎですね。これは、ふわふわのゆきのけっしょうと、かたいかたまりのこおりが、じっさいはおなじもの、で、できているからなのです。

　みなさんのまわりにあるしぜんのなかには、おもしろいことがたくさんかくれています。これからも、ちゅういして、おもしろいことをさがしてみてくださいね。きっと、まだまだ　たくさんみつかるとおもいます。みつけたら、またおしえてください。

先生がたへ

　子どもたちが、とても面白いことをみつけましたね。氷に太陽の光が当たると、表面から融け出すだけではなく、氷の内部にまで射し込んだ光のために、内部でも融け出すことがあります。すなわち、氷の中にできた穴ということになりますが、内部は液体の水で満たされています。これは、一般にチンダル像とよばれるものです。（チンダルとは、19世紀に活躍したイギリスの有名の物理学者の名前で、この現象の発見者です）雪の結晶も氷ですので、チンダル像も同じように六角の形を作って融けていきます。この六角というのは、氷の持っている結晶としての性質を反映しています。また、雪の結晶は、その外形の内側が氷（固体）ですが、このチンダル像では、内部が水で外部が氷（固体）です。すなわち、両者は、正と負の関係になっています。このためチンダル像のことを、「負の結晶」と呼ぶこともあります。また、このチンダル像の中には、必ず丸い円盤のようなものがあります。これは気泡ですが、中身は水蒸気だけで満たされたています。このため、蒸気泡と呼んだりします。氷は融けて水になると、体積が減少します。（氷が水に浮かぶのも同じ理由ですね）この体積が減った分が空隙として残りますので、このような気泡ができるのです。

　この現象は、氷に光があたって融けていく過程では、しばしば起きます。しかしながら、氷の中の水の詰まった穴ですので、氷と水の区別がつきにくく、とても見えにくいですね。このため、実際にこの現象に気づく人は意外と少なくて、見過ごされがちです。子どもたちが、そんな現象を見つけたということに、とても驚かされました。これは、先生がたが子どもたちの自然への興味をうまく引き出していらっしゃるからであろうと想像し、大変感銘を受けました。

　最後に、チンダル像を実際に作ることができるかですが、今回質問にいただいたタライに入れた水を凍らせて氷を作るというのは、実はとても良い方法です。水面に張った氷を取り出し、それに強い光（太陽光や電球の光など、手をかざすと暖かい光が最適。最新のLEDライトの光は、適当ではありません）を当てて氷を融かすと、チンダル像が現れて、だんだん大きくなる様子が見えるはずです。見えにくい時は、以下のような工夫をすると見やすくなるかも知れません。氷を底が平らで透明なガラス皿に入れて、皿の下に少し隙間を開けて白紙をおきます。この氷に光を当てて融かすと、氷の中にできたチンダル像が影絵となって白紙に映るので、見えやすくなります。試してみて下さい。また、中谷宇吉郎雪の科学館では、来館者への体験実験のなかでこのチンダル像を紹介しています。機会がありましたら、ぜひお立ち寄りください。

（回答掲載日：2023年2月23日）

　積もった雪は、空から降ってきた雪の粒が集まってできていますね。しかし、冷たい飲み物に入っている氷のかたまりを見ると、色はなくて透明ですね。雪も氷も同じものでできているのにとても不思議です。

　では、夏の暑い日に食べるかき氷は、どのように作るか考えてみましょう。かき氷は、氷のかたまりをけずって作ります。最初の氷の、かたまりのときには、色はなくて透明ですが、削ってかき氷にすると、とたんにまっ白になります。氷を削ったからといって、氷に白く色がつくわけではありません。

　積もった雪やかき氷が白いのは、小さな氷の粒がたくさん集まっているからなのです。氷は、光が当たるとキラキラ光ることでもわかるように、光を反射します。かたまりの氷のときは、この光の反射が弱く、氷の中を通過しますので、氷は透明に見えます。しかし、氷のつぶがたくさん集まっていると、それぞれのつぶが光をいろいろな方向に反射します。こうすると、全体として白く見えるようになるのです。難しいことばですが、これを「乱反射（らんはんしゃ）」といいます。

　このような乱反射のために、ものが白く見えるという現象は、雪だけではなくいろいろなところで起こります。たとえば、雲が白く見えるのもそうです。雲は空中に浮かんだ無数の小さな水のつぶでできています。この、水のつぶひとつひとつは、やはり白くなく透明ですが、雲のように、これがたくさん集まると、光が乱反射されて、全体として白く見えるのです。

　質問にある海については、どのようなときに見えることなのか分かりませんが、例えば波のてっぺんが白く見えることがありますね。そこに白いものが浮かんでいるのではなく、海水がかき回されて、水面が乱れてでこぼこになっていたり、泡がたくさんできていたりして、それらで光が乱反射されるためと考えられます。

（回答掲載日：2023年2月14日）

　つもった雪はふわふわで、やわらかいですね。この雪は、空からふってきた雪のつぶがつもってできます。このため、雪は小さな氷のつぶがたくさんあつまったものです。この小さな氷のつぶは、おうちのれいとうこの中にある氷と同じで、とてもかたいですね。しかし、ひとつひとつのつぶがかたくても、雪のようにそれがふんわりつもっていると、とてもやわらかになるのです。

こうえんのすなばで、すなあそびをするときも、おなじようなことがおきています。すなのつぶは、とても小さいですが、石ころとおなじようにひとつひとつはとてもかたいですね。でも、それがたくさんあつまると、さらさらのやわらかいすなになります。ゆきがやわらかいのと、おなじですね。こんどすなばであそぶときには、雪とにているところや、雪とはちがっているところはどんなことか、かんがえてみてください。

（回答掲載日：2023年2月14日）

　雪の結晶の形が気温と水蒸気の量で変化するというのは実験事実ですが、なぜ結晶の形が変化するのかという理由に答えることは簡単ではありません。長年にわたって多くの研究がなされてきましたし、今も最先端の方法を使って研究が行われています。雪の結晶に限らず、そもそも結晶というのは、最初に極めて小さな結晶の粒が生まれて、それが時間とともに成長して大きくなり、その結果として形が決まります。したがって、結晶の形が決まるしくみを明らかにするには、結晶の粒からある形を持つ結晶までの成長の過程を解明する事が必要になるからです。このような研究を専門に行っているのが、結晶成長学という学問領域になります。

　さて、雪の結晶に戻りましょう。雪の結晶の最初の粒は、目に見えないほど小さな六角柱の氷であると考えられます。この氷が成長するにしたがって、さまざまな形の雪の結晶を生成していくのです。例えば、この六角柱の氷が横方向に成長するのか縦方向に成長するのかを考えるだけでも、結果的に結晶の形は大きく変わりますね。前者は、平たい六角の板状の結晶形になるし、後者は細長い柱状の結晶になります。この変化は、結晶の周囲にある水蒸気が、雪の結晶に流れ込んでくるときに、その水蒸気が結晶のどの部分に取り込まれ易いかに関係しています。すなわち、六角柱の六角の面に取り込まれやすいのか、横の四角の面に取り込まれやすいのかで、板状になったり柱状になったりするはずです。

では、この水蒸気の取り込まれやすさ、の違いはなぜ起きるのかですが、結晶の表面での水分子の並び方に関係すると考えられます。しかし、氷の結晶の表面での水分子の動きを直接観察する、実は最新の観察技術をもってしても簡単ではありません。このため、まだまだよくわからないことが残っています。しかし、北海道大学の低温科学研究所では、世界に先がけて氷の結晶の表面を分子のレベルで精密に観察することが可能になっています。（Q14やQ33の回答も参考にしてください）この謎が解明されるのもそう遠いことではないと思います。

　最後に、雪の結晶は、六角板や六角柱だけではなく、樹枝状結晶や針状結晶と呼ばれるような複雑な形のものが多いですね。これは、雪の結晶に水蒸気が流れ込むときに、結晶の尖った部分（結晶の角や縁）には水蒸気が集まりやすいという性質があるためです。このため、尖った部分には、水蒸気がたくさん取り込まれるために、この部分はだんだん尖ってきて、前方に突き出すことになります。一度前方に突き出すと、さらに水蒸気が集まってきやすくなり、さらに先端が尖るということになります。この過程が繰り返されると、結晶の形はだんだん複雑になってきて、最終的に樹枝状や針状の結晶となるのです。

（回答掲載日：2023年2月14日）

 　雪の科学館では、来場した皆さんに氷のペンダントを作ってプレゼントするという実演を行っています。このようなペンダントは、もちろん氷以外のものでも作れないことはないですが、氷のペンダントのように簡単には作ることができません。氷は、0℃で融けますので、簡単に融かすことができますので、ペンダントもすぐに作れます。しかし、他の物質を使うと融かすための温度はもっと高かったり、あるいは低かったりします。そうすると、私たちの手には熱すぎたり冷たすぎたりして、さわるのもそう簡単ではないですね。氷は、私たちが素手で触っても平気な温度である0℃で融けたり凍ったりできることが、ペンダントを作りやすくしているのです。

（回答掲載日：2023年2月14日）

　雪の結晶の形は、結晶ができるときに周囲にある空気の温度と湿度（水蒸気の量）で決まります。また、雪の結晶は、上空の雲の中でできることも習ったと思います。この雲の中の空気は、その場所や高さによって、温度や湿度が大きく変化します。ということは、雪の結晶の形は、その結晶ができたところの温度と湿度で決まっていると言えますね。私たちが地上で観察する雪の結晶は、上空の雲のいろいろなところでできた結晶が混じり合って降ってきたものです。このため、雪の結晶にはいろいろな形があるということになります。

（回答掲載日：2023年2月14日）