日が照っているのに雨が降る、いわゆる「天気雨」という気象現象ですね。この天気雨（雪の場合も現象としては同じですが、天気雪とはあまり言いません。）が起きるしくみは、いくつか考えられます。雨は、上空の雲の中で生成された雪が下層に落下し、溶けて水滴となったものです。しかしながら、雪が雨となって地上に達するまでには、ある程度の時間がかかります。この間に、上空の雲が消滅してしまうと、雨が地上に降り落ちるときには、太陽が現れて日が差しているということが起こります。また、上空にかなり強い風が吹いていると、雨粒が地上に達するまでに雲が風に吹き飛ばされてしまい、太陽が顔を出していることもあります。このようなときに、日が照っているのに雨が降るという現象が起こります。

　一方、地上の気温が０℃以下（プラスでも０℃に近い場合は、溶けずに雪のままで降る場合があります。Q7の回答参照）では、上空の雲で生成した雪が溶けずに地上に達します。同じように、雪が地上に達するまでに上空の雲が消滅したり、吹き飛ばされたりすると、“天気雪”の状態になります。特に、雪は雨粒に較べてゆっくり落下するので、上空の雲で雪が生まれてから地上に達するまでに３０分から１時間ぐらいの時間がかかります。もし、上空に風速10m/秒の風が吹いていると、雪は誕生から落下するまでに３０ｋｍから６０ｋｍも水平方向に飛ばされることになります。こうなると、自分のいるところは晴れていても雪が舞うということも十分に起こりそうですね。

（天気雨という気象現象を「狐の嫁入り」や「狸の嫁入り」などと呼ぶというのは面白いですね。これは、「日が照っているのに雨が降るなど、普通ではありえないほど不思議」という意味で、同じようにありえない不思議な現象である「狐の嫁入り」や「狸の嫁入り」になぞらえていると考えられます。）

（回答掲載日:2022年1月7日）

　顕微鏡と言えば、肉眼でレンズを覗き込む光学顕微鏡を思い浮かべます。しかし、近年ではさまざまなタイプの顕微鏡が開発されていて、中には原子や分子が観察できると謳ったものもあります。しかし、原子や分子と言っても、例えばボールのような固体がどんどん小さくなったものではありません。原子の構造は、中心に原子核があってその周囲を電子が雲のようにまとわり付いているというイメージです。したがって、このような原子あるいはいくつかの原子が結合してできた分子が「見える」とは言っても、ボールを見るようにその実物が見えるわけではありません。いくつかのタイプの顕微鏡について、見えるというのはどういうことかを考えてみましょう。

　最初に光学顕微鏡を考えてみましょう。これは、光は波であることを使って、レンズによる光の屈折により観察物を拡大して見えるようにしています。したがって、光の波長よりも小さなものは、原理的には見ることができないという限界があります。人間の目で観察できる光（可視光）の波長は、せいぜい400nm（0.0004mm）程度ですので、どんなに工夫をしてもこれより小さなものは見ることできません。原子や分子の大きさは、せいぜい0.1〜１nm（水分子の大きさは、0.37nm）ですので、光学顕微鏡で見える限界の1/1000の大きさです。すなわち、光学顕微鏡では原子や分子を見ることは不可能です（下記の注を参照）。

　それでは、光よりも短い波長を持つもので観察したら、もっと小さなものを見ることができるのではないかと、当然思います。こうして開発されたのが、光の代わりに電子線を使う電子顕微鏡です。電子線の波長は、可視光の1/1000程度ですので、原子や分子の大きさにほぼ匹敵する長さになります。すなわち、電子顕微鏡を使うと、大きめの原子や分子は見る事ができる可能性がでてきますが、かなり小さな部類に入る水分子を見るのはそれでもかなり困難です。また、大きめの原子や分子が見えると言っても、超強力な電子線を発生できる特別な電子顕微鏡を使わないと実際には難しいので、誰でも使えるわけではありません。

　一方、走査型トンネル顕微鏡（STM）、あるいは原子間力顕微鏡（AFM）と呼ばれる顕微鏡ではどうでしょう。これらの顕微鏡は、先端が鋭く尖った針で観察物の表面をなぞり、その表面の凸凹の状態を検知するものです。針の先端で感じた表面の凸凹の情報を再構築してモニター画面上に表示できるように工夫しています。私たちも、物体の表面を指先でなぞると、その表面の凸凹を感じることができる場合がありますが、この方法は意外と敏感なのです。その感度を十分に上げてゆくと、結晶表面の原子や分子の並び具合さえ検出することができます。しかし気をつけたいのは、この顕微鏡では実際に原子や分子が見えたということではなく、表面の凸凹の分布から原子や分子の存在や配列の様子を読み取っているということです。現在、世界最先端の性能を持つ顕微鏡では、氷の表面での水分子の分布を検出できる可能性があることが知られていますので、近い将来氷の表面で水分子が配列している様子を検出できるかもしれませんね。

（注：光学顕微鏡では、原子や分子を見ることは原理的にできません。しかし、2つの光の波が到達する時間の違い（位相差と言います）をうまく使うと、結晶表面などにある原子1個分の“段差”を観察できます。北海道大学低温科学研究所の佐﨑元先生のグループでは、この原理を使った世界最先端の光学顕微鏡を開発して、氷結晶の表面での水分子１個分の段差を観察しています。詳しい紹介は、Q14の答えを参照してください。）

（回答掲載日:2022年1月7日）

　雪の結晶の形には、いろいろな名前がつけられていて、覚えきれないほどですね。しかし、名前のつけ方には、特に決まりや約束があるわけではなく、その形の特徴をとらえて名前がつけられていると思います。たとえば、雪の結晶の最も典型的な形は、樹枝状結晶と呼ばれるものです。これは、６本の枝がそれぞれ樹木の枝のような形をとることで名づけられています。樹枝状結晶のことは、英語ではデンドライトと言います。これは、もともと岩石などの内部に見られる樹の枝のような模様のことを呼ぶ言葉です。これが、雪の結晶にも使われるようになったと思われます。しかし、１９３１年に発行された「Snow Crystals」（W. A. Bentley and W. J. Humphreys、 Dover Pub. C.、 New York）という有名な雪の結晶の写真集の中には、まだデンドライトという呼び方は使われていません。これに変わる言葉として、シダ植物の指す “フェルン、fern”という言葉が、使われています。樹枝状結晶は、シダの葉のような放射状の形を持つので、そのように呼ばれたのでしょう。その後に発表された中谷宇吉郎先生の雪の結晶の分類表（１９３６年に発表された）には、樹枝状とシダ状の両方が使われています。このように、雪の結晶の形の呼び方も、研究の発展などさまざまな理由で変化するのです。

　しかし、ここで大事なことは、雪の結晶に名前をつけるためには、単に形の見た目の特徴だけではなく、その形ができた過程などを正確に把握していなければならないということです。その名前を聞くだけで、結晶のいろいろな特徴が頭に浮かぶというような名前をつけることができれば、理想的です。極端な話をすると、結晶の形に番号やアルファベットなどの記号を割り振るということも可能です。しかし、これではいちいち結晶の形を説明しないといけません。とても、不便なことになってしまいます。結晶の形に名前をつけるのも、実は慎重でなければならないのです。

（回答掲載日:2021年12月24日）

　雪の結晶の形は、結晶ができるときの気温と大気中の水蒸気の量（一般には湿度と言いますが、結晶ができるためには湿度は100％以上でなければいけません。）の条件で決まります。したがって、雪が生成されている上空の雲の中がどのような条件かで、できる結晶の形も変化し、その結晶が一番多い形であると言えます。

　このことは正しいのですが、実際にはそう簡単な話ではありません。まず、雲の中の条件と言っても、雲の上層部と下層部では気温も水蒸気の量も大きく異なります。一般には、上層ほど気温が低くなります。雪の結晶は、このような雲の中を上層から下層に向かって落下しながら生成されますので、結晶のできる条件は時々刻々変化します。このため、私達が地上で観察する結晶の形は、その結晶がどのような経路をたどってきたか、すなわちどのような生成条件の変化を経験してきたかで、大きく異なります。

　しかし、地上で観察する雪の結晶では、いわゆる樹枝状結晶と呼ばれる綺麗な六本の枝が伸びた結晶が多いと思います。これは、マイナス１５℃前後の狭い気温条件で生成されます。この樹枝状結晶は、細い枝の先端がどんどん伸びるので、他の温度領域と比べて、結晶のサイズの増加が急速であるという特徴があります。私達が住んでいる地域では、地上の気温が−１５度よりも下がることはめったにありませんので、上空の雲の中には必ずこのマイナス１５度の気温の領域が存在します。このため、雪の結晶は、落下途中にこの気温の領域を必ず通過することになります。このとき、一気に樹枝状に成長するので、どうしてもこの結晶が観察される機会が多くなると言えます。

　一方、南極などのもっと気温の低い地域では、上空にはマイナス１５度という温度領域が存在しない場合もあります。このようなときには、樹枝状結晶はあまり見られず、もっと低温で生成されるような結晶形が増加することもあります。

　このように、その時に降っている雪の結晶のうち一番多い形は、上空の雲の中の条件によって変化するということになります。中谷宇吉郎先生の有名な言葉に、「雪は天から送られた手紙である」というのがあります。これは、上空の雲の中の気象条件が、地上で観察される雪の結晶の形に影響を与えているということを示しています。でも、この手紙を読み取るのは、そう簡単なことではなさそうと言うことがわかると思います。

（回答掲載日:2021年12月24日）

　静かになるとよく眠れるのかどうかは、人それぞれであると思いますが、確かに雪が降っていたり積もっていたりすると、静かに感じられますね。音は空気の振動で伝わりますが、雪が降っていると空気の振動が雪で減衰されてしまうので、音が伝わりにくくなります。しかし、降雪時にとても静かに感じられるときには、いわゆるぼたん雪と呼ばれる粒の大きな雪が降っている場合が多いのではないかと思います。このぼたん雪は、雪の結晶が多数絡み合って降ってくるもので、比較的気温の高い時に見られます。このようなぼたん雪は、空気の振動を減衰する効果が大きいと思われます。このため、とても静かに感じられるのです。私は、北海道に住んでいますが、気温の低い真冬にはぼたん雪を作らず、雪の結晶がバラバラで降ってくることが多くなります。このようなときには、あまり周囲が静かになったという感じがしません。

　また、新雪が積もった朝などは、雪がやんでいてもとても静かに感じられますね。これは、積もった雪にも同じように音を減衰する効果があるからです。

　さて、ご質問の「防音の働き」があるかどうかですが、これは防音をどう捉えるかで答えが変わります。防音とは、音を吸収するだけではなく、音の反射を防ぐような構造にするとか、音を伝えやすい隙間を作らないとか、さまざまな要因が複雑に関連して達成されるものです。したがって、雪の降る夜の静けさと防音の働きは分けて考える必要がありそうです。

（回答掲載日:2021年12月3日）

　私はテレビの番組を視聴していないのですが、砂糖水で作った氷は溶ける温度が0℃よりも低くなります。このことが、かき氷のでき具合に関係していると考えられます。

　砂糖などの入っていない純粋な水で作った氷は、０℃で溶けます。天然の氷も同じで、通常は何も溶け込んでいない真水が凍ってできていますので、この氷も０℃で溶けます。かき氷は、冷凍庫などに保管していた氷の固まりを取り出して、そのまますぐに削って作ることが多いと思います。冷凍庫の温度は−20℃近いので、ここから取り出した氷の固まりをすぐに削ると、溶ける温度よりもかなり低い温度のままで削ることになります。温度の低い氷は大変硬いので、これを削るとなかなかふわふわのかき氷にはなりません。しかし、冷凍庫から出した氷をしばらく室温においておくと、温度が上がって少し柔らかくなります。この氷を削ると、ふわふわのかき氷になるはずです。天然の氷で作ったかき氷はふわふわになるというのはよく聞きますが、実はこの原理を利用しています。すなわち、冷凍庫から出した氷をすぐに削るのではなく、しばらく室温において温度を上げてから削っているのです。

　さて、砂糖水を凍らせた氷は、溶ける温度が０℃よりも低くなります。これは、「モル凝固点降下」という現象で、砂糖に限らず水に溶かした不純物の量が多くなるほど溶ける温度が下がることを示しています。砂糖水の氷を冷凍庫に入れておくと、やはり−20℃近くに冷えているはずですが、溶ける温度との温度差は純粋な氷の場合より小さくなります。したがって、冷凍庫から取り出してすぐの状態で較べると、砂糖水の氷のほうが柔らかいということになります。したがって、冷凍庫から取り出してすぐの氷でも、ふわふわのかき氷ができるのだと考えられます。

　ところで、溶けていた砂糖は、氷になるとどこに含まれているのでしょうか？氷の固まりは、たくさんの小さな氷の粒が集まってできています。粒のひとつひとつは氷の結晶ですので、結晶の内部には砂糖などの分子は入り込むことができません（Q20の回答も参考にしてください）。したがって、砂糖水が凍ると、砂糖を含まない氷の粒がたくさんでき、砂糖は粒の外に押し出されることになります。このため、粒と粒の間の境目には濃縮された砂糖水の膜が残ります。この膜は、溶ける温度が非常に低くなりますので、冷凍庫の中でもまだ液体のままで残ります。すなわち、氷の粒と粒の間に潤滑剤を塗りこんだような状態になります。これが、氷の固まり全体を柔らかくする作用をもたらしているのです。

（回答掲載日:2021年10月12日）

　北陸の雪は水分が多いと良く言いますが、確かに雪の中に水があるようには見えませんね。

　一つ実験を行ってみてください。かき氷を台所にあるじょうごに入れてみましょう。特にかき氷の中に水があるようには見えなくても，じょうごの出口からは水がしたたり落ちてくるはずです。このときの水は、かき氷がすこしずつ溶けているために出てきた水です。実際は、かき氷の粒の表面は溶け出した水の膜で覆われているはずですが、水も氷もどちらも無色透明ですので、私たちの目には水の膜の存在をなかなか見ることができないのです。北陸の雪は、このかき氷の状態になっていると考えてください。積雪の中でも、雪の粒の表面には目には見えなくても溶けた水分が存在し、溶けた水はすこしずつ下に向かって流れ出しています。北陸の雪は水分が多いというのは、北陸では冬と言っても気温が高いので、雪の粒がすでに溶け始めているために、水分量が多くなっているのです。

　さて、この雪が溶けている状態では、雪の温度は０℃になっているはずですね（本Q&AのQ23の回答も参考にしてください）。では、雪の温度が０℃以下になったときには、雪の水分は完全に凍ってしまい、無くなってしまうはずですね。しかし、実際には雪が０℃以下になっても、雪の中の水分が完全になくなることはありません。これは、雪粒の表面の性質に関連しています。雪粒の表面、すなわち氷の表面には、温度が０℃以下になっても極めて薄い水の膜が存在しているのです。このような水が存在するので、氷点下になっても雪の中には必ず水分が含まれているということになります。

　ところで、このような現象は表面融解と呼ばれ、この水の膜を擬似液体層と呼んでいます。氷の表面の水は、コップの中の水とはすこしだけその特徴が異なるので、“擬似”という言葉がついています。擬似液体層の存在は、氷の滑りやすさとも関連しています。例えば、スケートは、氷が０℃より低い温度でもとても良く滑ります。床に水をこぼすととても滑りやすくなり危険ですが、これは床に広がった水の膜が潤滑剤の役割をするためです。氷が滑りやすいのも、これと同じく擬似液体層が潤滑剤の役割をするためと考えられています。氷の表面の擬似液体層は、もともと1850年頃に物理学者のファラデーがその存在を予言したものです。それから150年以上がたった現在、私たちは、この疑似液体層が氷の表面で実際にどんな運動をするのかを直接観察することができます。詳しいお話は、このQ&AのQ14の回答に説明がありますので、参考にしてください。

（回答掲載日:2021年8月31日）

　とてもおもしろいところに気がつきましたね。動画をよく観察してくれていると感心しました。

　そうですね。よく目にする雪の結晶が成長する動画では、手（手の1本1本が木の枝のような形をしていますので、“枝”と呼ぶことが多いです）がのびていく速さがそれぞれ違っていますね。でも、よく写真で見るようなきれいな天然の結晶では、どの手の長さも同じですし、６本の手の形もよく似たものになっています。これは、動画で観察している雪の結晶は、実験室のなかで人工的につくっているものであることと関係しています。天然の雪の結晶のできかたと、人工の雪の結晶のできかたとをくらべてみると、質問のこたえにたどりつけると思います。

　少しむずかしいお話になりますので、ちかくの大人の方といっしょに読んでください。はじめに、雪の結晶は、結晶の周りの空気中にある水蒸気を原料として、だんだん大きくなっていきます（このQ&AのQ21の回答も、参考にしてください）。これを結晶が成長するといいます。すなわち、雪の結晶の６本の手のさきに水蒸気がどれだけ集まるかによって、手ののびる速さが変わるのです。とうぜん、水蒸気がたくさん集まる手のほうが、よりはやくのびることになりますね。

　では、まず天然の雪の結晶のできかたを考えてみましょう。天然の結晶は、上空の雲の中で空中に浮かんだままで成長します。この結晶は、空中で自由に動きまわることができますので、結晶の手に集まってくる水蒸気の量は、6本の手でまったく同じになるはずですね。したがって、せんぶの手ののびる速さが同じになります。このため、結晶が大きくなったときも、6本の手の長さや形がおなじになるはずですね。

　いっぽう、映像で見ている人工の雪の結晶では、結晶を細い糸などにつるして成長させます。こうしないと、結晶は下に落ちてしまいますので、成長の様子を観察することができません。すなわち、糸につるされた結晶は、天然の結晶のように自由に動き回ることができないのです。このため、６本の手の先に集まってくる水蒸気の量は、手によってどうしても少しずつの違いが出てきてしまうので、ながい手やみじかい手ができてしまうのです。

　このように、人工的につくった雪の結晶と天然の雪の結晶では、すこしだけですができるときのようすがちがいます。これが、結晶の手の長さや形のちがいを生みだしているのです。中谷宇吉郎先生が世界で初めて人工的に雪の結晶を作ることに成功してから、すでに80年以上になります。しかしそれでも、雪の結晶が成長するしくみや形が決まるしくみには、まだ明らかになっていないたくさんの謎が残されています。これからも、雪の結晶に興味を持っていてくださいね。

（回答掲載日:2021年8月31日）

　積もった雪を踏むと、いろいろな音がでますね。ふんわりと積もった降ったばかりの雪ではあまり音は出ないですが、積もってから時間がたって“ざらめ”のようになった雪ではザクザクとした音がでます。また、気温がとても低くてこまかな雪の粒がかたく積もっているときには、キュッキュッというかなり高い音が出たりします。このような音は、積もった雪の粒と粒がこすりあってでると考えられ、こすれあう雪の粒の大きさやかたさなどによって、出てくる音もさまざまに変わります。

　まず、ざくざくという音は、かなり大きくて硬いつぶつぶでできた雪のときにでることが多いでしょう。砂浜の海岸を歩くとき、砂がかわいているとけっこう大きなザクザク音がしますが、砂がぬれているときにはあまり音がしないですね。乾いた砂では砂粒と砂粒がこすれあって音が出ますが、ぬれた砂では砂粒の表面にある水のために砂粒が滑りやすくなっていて、音が出にくくなるからです。じつは、雪の粒でも同じようなことがおこります。ザクザク音も気温が高くて雪粒がすこし溶けているとあまり音が出ませんが、寒くなって雪粒の表面まで完全に凍っていると音が出やすくなります。

　また、気温がもっと低いときには、積もった雪の粒も小さくなり、雪粒の表面も完全に乾いているので、雪粒と雪粒がこすれて、キュッキュッというすこし高い音がでます。台所にある小麦粉の袋を外側から押すと、キュッキュッという音が聞こえることがあります。これも小さな小麦粉の粒どうしがこすれあってでてくる音で、雪の音と同じしくみですね。

　ユーミンさんは福井県にお住まいですね。こんどの冬に雪が積もったら、気温や雪のようすが変わると、じっさいにどんな音がでてくるのかを聞きわけてみてください。

（回答掲載日:2021年8月31日）

　シャボン玉の膜を凍らせるときれいな氷の結晶ができていく様子を観察することができますね。簡単にできそうですが、じっさいにやってみると、なかなかうまくいきません。じつは、単に普通にシャボン玉を作るだけではなく、いくつかの工夫がされています。

　まず、シャボン膜を作る方法ですが、シャボン玉の膜は球形ですので、少し工夫をして平らな膜を作ります。この平らな膜は、直径１ミリくらいの針金で丸い枠（直径１０センチくらい）を作り、その枠にシャボン膜を張ることで作ることができます。シャボン膜を作る液体は、水に普通の家庭用の食器洗い洗剤をまぜるだけで構いません。この液を平たいお皿に入れて、その中に針金の枠をつけてゆっくり引き上げると、枠の内側に平らなシャボン膜を作ることができます。入れる洗剤の量を変えて、シャボン膜を一番作りやすい洗剤の量を決めてください。

　こうして作ったシャボン膜を、割らないように注意して冷凍庫の中にそっと入れると、膜の中に氷の結晶ができるはずです。しかし、このままではシャボン膜はあっという間に凍ってしまって、結晶のできる様子を見るのはちょっと難しいと思います。そこで、もう一つの工夫が必要になります。それは、洗剤を溶かした水の中に、さらに砂糖を入れてよく溶かします。溶かした砂糖は、水が凍る速さをおさえる作用があります。このため、砂糖の量を増やしていくと、だんだん凍る速さが遅くなり、やがてシャボン膜の中できれいな氷の結晶がゆっくりとできていく様子を観察できるようになります。砂糖の量をいろいろ変えてみて、結晶が一番キレイに見える量を決めてください。

　洗剤の量と砂糖の量をいろいろと変えてみて、結晶のでき方や結晶の大きくなる速さなどの違いを観察してみるのも楽しいですね。また、砂糖ではなくて塩を入れたらどうなるかなど、水に溶かすもので何か違いがでてくるかなども興味深いですね。頑張って、実験を行ってみてください。

（回答掲載日:2021年8月31日）

　水から出てくる泡は、小さなつぶつぶの泡がゆっくり出てきたり、おどるように泡がつぎつぎと出てきたりと、いろいろな場合がありますね。さらに、その泡が何でできているかについても、それぞれでちがいます。いくつかの場合について、見てみましょう。

　まず、コップの中に水道の水を入れてみましょう。このコップを別の容器に入れたお湯の中につけて、コップの水を暖めるとコップの内側に気泡ができるのが見えると思います。この気泡は、水に溶けていた空気が泡になって現れたもので、泡の中身はほとんどが空気で、少しだけ水蒸気(すいじょうき)（水が蒸発したもの）が含まれています。水を冷凍庫に入れて凍らせると氷ができますが、この氷の中にはやはり空気でできた泡がたくさんはいっていますね。コップで出来た泡と同じものです。

　いっぽう、やかんなどに水を入れてコンロにかけ、いっきに温度を上げるとお湯がわきます。このとき、やかんのなかではつぎつぎと泡がでてきて、おどるように動いています。これは、やかんの水が１００℃になっていて、すこしむずかしいですが「沸騰(ふっとう)」というものです。沸騰している水のなかにできる泡は、水蒸気でできていて、空気の成分はほとんどはいっていません。

　また、炭酸の入ったペットボトルの飲み物のフタを開けると、飲み物の中に小さな泡がたくさんできるのが見えますね。この泡は、飲み物に含まれていた炭酸ガス（二酸化炭素とも言います）が泡になってでてきたものです。ですので、このときの泡の中には、空気ははいっていません。

　このように、水の中の泡と言っても、そのでき方によって、空気の泡であったり、水蒸気の泡であったり、あるいは炭酸ガスの泡であったりするのですね。この他にも、いろいろな泡がありますが、そのでき方や何でできているかなどを調べてみるのも楽しいと思います。

（回答掲載日:2021年8月31日）

　氷は、水が凍って固体になったものと言っても、なんだかよくわからないですね。すこし難しいお話になりますが、説明しましょう。

　まず、水や氷は、“水分子”と呼ばれるとても小さな粒が集まってできています。コップに入れた水は、たくさんの水分子がぐちゃぐちゃになって詰め込まれていると思ってください。温度が０℃より高いときには、コップの中の水分子は、自由に動き回ることができます。このため、コップを斜めにすると水は流れ出してしまいます。しかし、温度が下がってくると水分子はだんだん動きにくくなり、やがて０℃になると、もう動き回ることができなくなってしまいます。こうなると水は、かたまりの氷に変わってしまい、コップから流れ出すこともできなくなります。

　氷の中の水分子の様子をもう少し説明しましょう。実は、氷の中では水分子のようすとはとても異なっていて、水の中のぐちゃぐちゃではなく、とても規則正しく並んでいます。このように分子が規則正しく並んでいるものを、「結晶」と呼びます。氷は、水が凍ってできた結晶なのですね。

　少し難しいと思いますので、ジグソーパズルを思い出してください。ジグソーパズルのピースを水分子だと思うと、ジグソーパズルを始める前はピースがぐちゃぐちゃの山になっていて、簡単にかき混ぜることができます。これが、“水”のなかの水分子のようすです。そして、ピースをきれいに並べて、ジグソーパネルを完成させると、ピースはもう自由に動けなくなります。これが、“氷”と言うことになります。こうすると、水と氷の中での水分子の様子が少しわかりやすいですね。おうちのジグソーパズルで確かめてみてください。

　また、「水が凍って氷に変わる温度は０℃」とよく言いますね。しかし、私たちが温度を測るときにどうするかを考えてみましょう。温度を測るためには、どこかに基準となる温度を決めておかないといけません。この基準の温度として、私たちは“水が氷に変わる温度”を０℃と決めているのです。水は、私たちの身の回りにある、もっとも大切なものです。このため、水が氷に変わる温度をもっとも大事な基準の温度として、０℃としたのです。

　また、ぴったり０℃でも氷になれるのかは、そのとおりです。しかし、水をゆっくり冷やしていくと、実際には０℃以下になっても氷にならずに、水のままでいることもあります。これは、最初に水が凍り始めるときの、氷のできかたによリます。少し難しい言葉ですが、０℃以下でも凍っていない水を、“過冷却水”と呼びます。雪の科学館では、実際に過冷却水を作って、この水が凍る様子を実演しています。科学館に来る機会がありましたら、ぜひ実演に参加してください。科学館の公式YouTubeチャンネルにもその様子を紹介しています。

　 ▶ YouTube 動画　

〈過冷却水のせつめいは 6分30秒からはじまります〉

（*漢字のふりがなつき回答はこちら）

（回答掲載日:2021年8月5日）

　水は、他の物質にはない不思議な性質をたくさん持っています。ご質問にある体積が+４℃（厳密には、＋3.98℃）で最小になる（言い換えると、密度が最大になる）というのもそのひとつです。この性質を持つ物質はとてもまれで、ほとんどすべての物質の液体は融点（結晶が融ける温度）の時に体積が最小で、温度が上がれば体積はだんだん大きくなっていきます。

　この不思議な性質は、水が凍って氷の結晶になると水に浮かぶということとも関連しています。氷の結晶というのは、水分子が三次元に規則正しく並んだ構造をもっています。このとき隣り合った水分子どうしは、水素原子を介して結合しています。この結合を水素結合と呼びます。すなわち、氷の結晶とは水素結合の三次元的な組み合わせで出来ているとも言えるのですが、これがけっこう隙間の多い構造を作るのです。このため、水中の水分子がバラバラに配置した状態にあるときよりも、氷の結晶中の水分子間隔のほうが大きくなっています。すなわち、液体の水の状態よりも、体積は氷のほうが大きくなる（密度が小さくなる）ことになります。

　では、本題に戻りましょう。氷が溶けると液体の水に戻りますが、まだ０℃に近い温度では水の中の分子がすべてバラバラになっているわけではありません。すなわち、隣接する水分子どうしで水素結合を作っているものが、ごく一部ですが残っています。このような水分子のかたまりは、「クラスター」^＊と呼ばれます。このクラスターは、発生してもすぐに壊れてしまうのですが、水中のあちこちで発生していますので、全体として、常に一定の割合の水分子がクラスターになっています。この効果は、水全体の体積を増加させる（密度を減少させる）ことになりますが、温度が上昇するとクラスターも発生しにくくなりこの効果は弱まります。一方、さらに温度が上昇すると、水分子はより活発に動き回るようになりますので、分子間隔はだんだん拡大し、水全体の体積を増加させる（密度を減少させる）効果が働きます。この２つの効果が相殺するのがちょうど４℃という温度になります。このため、この温度で水の体積は最小（密度は最大）となるのです。（図を参照して下さい。）

　他の多くの物質でも、それを溶かした液体の中では、水中と同じことが起きています。しかし、物質の固体（結晶）は、それが溶けた液体よりも体積が小さい（密度が大きい）のが普通ですので、融点の時に液体の体積が最小で温度が上昇すると体積は一方的に増えていきます。したがって、氷のこの性質はとても奇妙なのですが、シリコンなどごく一部の物質では同じ性質があることが知られています。これらの物質の結晶は、実は氷と同じような隙間の多い構造をとることも明らかになっています。

*「クラスター」という言葉は、コロナの蔓延が始まってから誰もが知るものになりましたが、もともとは「なにかの集団」という意味で、さまざまな分野で使われています。

（回答掲載日:2021年7月12日）

　手のひらにのるような大きな雪結晶が空から降ってきたら楽しいですね。しかし、私たちの地球上ではこんな大きな結晶は、残念ながら降ってきません。天然で見られる最も典型的な樹枝状結晶でも多くは直径２〜３ミリで、最大でも７〜８ミリ程度の大きさです。私も何度も北海道の大雪山で雪結晶の観察を行いましたが、やはりこのサイズより大きいものは見たことがありません。そのほかのさまざまな形の雪結晶は、これよりもずっと小さいのが普通です。

　この結晶の大きさは、どのようにして決まるのでしょうか？雪結晶は、上空の雲の中で生まれた小さな氷晶（大きさは1/100ミリ以下）が、そのまま落下しながら周囲の水蒸気を集めて大きくなる（成長する）ことで生成されます。したがって、地上で観察される結晶の大きさは、結晶が大きくなる速度（成長速度）と成長にかかった時間（氷晶の誕生から地上に達するまでの時間）との積算で決まります。成長速度は、結晶周囲の温度や水蒸気量、さらには結晶の特性などさまざまな条件で変化します。また、成長時間は、氷晶が誕生してから雪の結晶として地上に達するまでの時間とすると、せいぜい１時間程度と推測されます。これらから結晶の大きさを推定すると、成長速度がもっとも大きい樹枝状結晶でも、最大で直径１０ミリ程度までが限界です。

　では、人工の雪結晶ではどうでしょうか？この場合も、成長速度と成長時間の関係で大きさが決まるのは同じです。したがって、天然の結晶よりも長い時間成長させることができれば、もっと大きな結晶を作ることは不可能ではありません。もし国際宇宙ステーションの内部で実現される無重力の環境で、結晶を長時間空中に浮かべたままで成長させることができたならば、原理的にはいくらでも大きな結晶を作ることができます。しかし、そのためには、巨大な成長装置を用意するなど別な制約が加わりますので、実現するのは簡単ではありません。

　一方、雪結晶と同じように水蒸気から成長する霜の結晶では、もっと大きいものがしばしば目撃されます。たとえば、冷凍食品を保存するような冷凍倉庫の中では、手のひらの大きさにもなる霜の結晶が成長することがあります。霜の結晶の成長速度は小さいのですが、落下しないので何週間、あるいは何ヶ月もの長いあいだ成長を継続できます。こうすると、多少成長速度が遅くても巨大な結晶が生成できるのです。

（回答掲載日:2021年5月15日）

　氷にカラフルな色を付けることができたら、楽しいですね。しかし、残念ながら氷そのものに色を付けることはできません。それは、氷は水分子が立体的に規則正しく並ぶことでできた結晶で、この結晶の内部には絵の具や食紅などの成分は入ることができないからです。結晶の中に入るには、規則正しく並んだ水分子を無理やり押しのけないといけません。これはとても困難なことで、空気中の酸素や窒素などの分子でも、結晶の中には入り込むことができません（本Q&AのQ４やQ14の回答も参照して下さい）。このため、水に絵の具や食紅を入れて凍らせても、氷ができるときに氷の外に押し出されてしまい、氷には色がつかないのです。

　しかし、凍った食品であるシャーベットやアイスクリームなどには、きれいな色がついているものがありますね。これらは、いろいろな工夫をして含まれている氷ができるだけ小さな粒になるようにしているのです。氷の粒（一つの氷の結晶）の中身にはもちろん色を付けるものは入っていません。しかし、氷の粒の表面や粒と粒とのすき間などには、これらのものを貯めておくことはできます。この原理を使うと、できるだけ氷の粒を小さくすることで、食品全体として色をつけることができるのです。

　家庭でも、アイスクリームやシャーベットは作ることができますね。このときのコツは、原料を冷やしながらよくかき混ぜることだと思います。かき混ぜることで、水分が凍るときに、氷の粒があまり大きくなる前に細かく砕かれてしまったり、たくさんの氷の粒が新たに作られたりします。「できるだけ氷の粒を小さく保ちながら、全体を凍らせる」ということが、全体として色をつけることに結びつくのです。繰り返しになりますが、あくまで氷の粒（すなわち、結晶）そのものには色はついていないことに、注意してください。

（回答掲載日:2021年3月30日）

　雪といえば真っ白なイメージですが、それが青く（時には、緑色に？）見えることがあるというのは、不思議ですね。質問の中にある「雪は本来色がついておらず透明で光の反射や吸収により青い光を反射する」というのを、もう少し詳しく説明しましょう。

　雪が青く見えるという場所は、太陽の光が直接あたっている積雪の表面ではなく、積雪の断面にあいたくぼみのような少し影になった場所だと思います。実際、このくぼみの内側から外の光を透かすように見たときに、青みがかかって見えることが多いはずです。すなわち、この青い光は、積雪の中を透過してきた光を見た場合にしか見えません。

　さて、積雪は細かな氷の粒の集まりでできています。はじめに、氷を太陽の光（白色光）が透過するときに、光の強さがどう変わるかを見てみましょう。太陽からの光をガラスのプリズムで屈折させると、赤い光から紫の光まで７色に別れますね。光は波の性質を持っていますので、この色の違いは光の波長に対応しています。氷は無色透明と言いますが、実際には完全に透明ではなく、入射した光はごくわずかですが氷に吸収されます。この光が吸収される割合が、光の波長（すなわち、光の色）によって異なります。実際は、赤い（波長の長い）光のほうが青い（波長の短い）光よりも、吸収されやすいという特性があります。すなわち、氷の中を通過する太陽光（白色）は、赤い光がより早く弱くなることになり、割合として青い光のほうが強くなります。このため、青みがかかるのです。最初に述べたように、積雪も氷の粒でできていますから、光が積雪を通過するときにも、この性質が現れてきます。積雪のくぼみから外を透かして見る場合しか青く見えないのも、理由がわかりますね。

　これと同じ現象は、氷の塊でできた氷河や南極の氷山などでも見ることができます。この場合は、まさに氷の塊の中を光が通過しますので、青い光の成分の割合より多くなり、積雪の場合よりもっと青みがかかって見えることがあります。また、水中が青く見えるというのも同じ原理です。イタリアのカプリ島には、「青の洞窟」という有名な場所があります。ここは、海岸の切り立った崖の波打ち際にできた洞窟で、その内部に海水が流れ込んでいます。この洞窟の中に入ると海水が真っ青に輝くことで、この名前がついています。これは、太陽光が海水を通過して洞窟の入口から内部に差し込むときに、赤い光の成分が海水に吸収されやすいためにおきる現象です。氷と海水の違いはありますが、どちらも同じ原理で青く見えているのです。

　最後に、積雪が青く見える条件ですが、氷を通過する光の吸収は特に温度による大きな変化はありません。また、積雪の密度が高いと光の散乱（散乱は氷の表面での反射が主な原因で、青く見えることと直接は関係ありません）のため、通過してくる光の強さは素早く減少します。しかし、一方で密度が高いと、氷の粒の中を通過する長さは増えるはずで、より青みがかかることになります。両方の効果が複雑に関係しますので、その条件を明確に述べることは困難です。

（回答掲載日:2021年3月30日）

　雲は、小さな水滴（雲粒）がたくさん集まってできています。雲粒の大きさは、直径で３〜１０μｍ（すなわち、０．００３〜０．０１mm）程度でとても小さいものです。上空に行くと気温は下がり、やがて０℃より低くなります。雲粒は小さいとは言っても水でできていますから、このような温度になると凍ってしまってもおかしくないですね。

　実際には、気温が０℃以下であっても、雲粒は凍らずに水滴のままでいることができます。これは、水のもつ「過冷却」という性質によります。中谷宇吉郎雪の科学館では、ペットボトルに入れた水を冷凍庫で−５℃程度まで冷やしても、凍らずに液体のままでいることを示す実験を毎日行っています。この実験で作っている水が「過冷却水」と呼ばれるものです。この過冷却水は、ペットボトルを叩いたり、振ったりすると、簡単に過冷却の状態が破れて凍ってしまいます。それは、ペットボトルに与えた振動が氷を作るきっかけになるためです。また、振動がなくても、水の中に含まれているゴミやペットボトルの容器についた傷などがきっかけになって、やがて凍ってしまいます。

　しかし、雲粒の場合は、非常に小さいのでその内部にはゴミなどが入っていることはあまりありません。また、空気中に浮かんでいるので、容器の傷などの影響もありません。このため、ペットボトルで作る過冷却水より、もっと低い温度まで簡単に過冷却してしまいます。条件が良いときには、雲粒は−４０℃程度まで凍らずに、液体の状態でいることができます。雲は、驚くほど低温になっても、凍らずにいることができるのですね。

　最後に、雲が空に浮かんでいられる理由ですが、雲を作る雲粒が非常に小さいことに関係しています。雲粒は、小さいとは言っても、もちろん地上に向かってゆっくり落下していきます。しかし、雲ができるときには、大気が上に向かって上昇していることが多いので、小さな雲粒も大気の流れに沿って上昇していきます。このバランスが取れているため、雲は空に浮かんでいることができるのです。

（回答掲載日:2021年3月30日）

　ふったばかりの雪は、まっしろでふわふわしていて、食べたらおいしそうですね。雪とおなじようなかきごおりは、食べてもへいきなのに、雪は食べてはいけないのはちょっとふしぎですね。でも、お母さんのいっていることは、正しいです。

　それは、そらからふってきた雪は、くうきのなかにうかんでいる小さなゴミなどをたくさんくっつけているからです。もしこんど雪がつもったら、きれいなコップに雪をつめて、とかしてみてください。そのとけた水をよく見ると、小さなゴミがうかんでいるのが見えるはずです。ゴミが見えなくても、水にとけてしまうものがはいっているかもしれません。ですので、そらからふってきた雪は、あまりきれいとはいえません。お母さんがいうとおり、食べてはいけません。

　さいしょにおはなしをしたかきごおりは、きれいな水をれいとうこでこおらせてできたこおりをけずってつくります。雪とちがって、かきごおりにはゴミははいっていませんので、おいしく食べることができるのです。でも、食べすぎておなかをこわさないようにしてくださいね。

（回答掲載日:2021年3月23日）

　まず、雪も氷もH₂O（1個の酸素原子（O）と2個の水素原子（H））という物質の固体（結晶）であるということから説明を始めましょう。H₂Oに限らず、様々な物質は、温度と圧力によって液体であったり固体であったり、そして気体であったりします。この、温度と圧力の条件で、物質がどの状態を取るかを示す図は「相図」と呼ばれて、科学研究の場ではきわめて重要なものです。H₂Oの３つの相（ 3態とも呼びます）については、それぞれ「水」、「氷」、および「水蒸気」と特別な呼び方で呼ばれます。すなわち、H₂Oという物質の固体としては、それがどのようにして出来たか（水が凍ってできたのか、水蒸気が凝華（注）してできたのか）や形状（かたまりなのか、細かな粒状なのか）とは全く関連なく、常に「氷」と呼ばれます。したがって、物質として見た場合は、「氷」という呼び方がより上位の言葉と言えます。

　しかし、最初に述べたように、実際には雪と氷は並列に記載されることも多く、時には混乱を招いていることも事実です。ご質問にあるように、細かい氷が「雪」ということもできますが、氷を削って作ったかき氷は、細かな粒の氷であっても雪とは呼びません。　

一般には、そのできかたによって区別していることが多いように思われます。すなわち、水蒸気からできた氷の結晶を「雪」、液体の水が凍ってできた氷の結晶はそのまま「氷」と呼んでいます。雪が降って積もったものは「積雪」と呼び、やはり雪の一種ということになります。

ただ、この区別にも例外がないわけではありません。たとえば、南極やグリーンランドなどで見られる巨大な氷の塊である氷床は、表面に降り積もった積雪がだんだん深くなると、自重で圧縮されて氷に変わります。これは、積雪が圧縮される過程で、その内部でまだ空気の流通（通気性）がある場合は「積雪」と呼び、さらに圧縮されて空気の流通がなくなると「氷」に変わるというように分けられます。すなわち、もともとは水蒸気からできた雪であっても、積雪になって圧縮されると「氷」に変わるということになります。

　このように、雪と氷の違いを明確に分けようとすると、それには当てはまらないものが出てきてしまいます。雪と氷、もともとは同じものですので、これは仕方がないことかもしれませんね。

（注）逆に、氷が直接水蒸気に変わる場合は「昇華」と言います。水蒸気から氷が生成する場合も、従来は同じ言葉が使われていました。しかし、混乱を避けるために、近年この言葉が提案され徐々に使われるようになっています。

（回答掲載日:2021年3月6日）

　コップに入れた水を冷凍庫に入れて凍らせると、体積が約９％増加します。水も氷も多数の水分子が集合してできていますが、このことは水中より氷の中の方が水分子の詰り方がほんの少し疎らであることを意味しています。液体の水では、水分子は不規則に混じり合っています。これに対し、結晶である氷では、水分子は三次元的に規則正しく配列しています。下に示した図は、氷の結晶中での水分子の配列を示しています（産業技術総合研究所　灘浩樹先生提供）。水分子はH₂Oですので、灰色の大きな球が酸素原子（O）、赤の小さな球が水素原子（H）を示しています。1個の酸素原子は、隣り合った4個の酸素分子と水素結合で結ばれていて、この結合の上に水素原子が1個ずつ配置されています。液体の水が凍って、このような結晶構造を作るときに、水分子が少しずつすき間を開けながら配列を作るので体積が増えるのです。

　とはいっても、このすき間はせいぜい水分子の大きさですから、ここに窒素や酸素などの他の分子が入り込むことはできません。最初に述べたように、コップに入れた水を冷凍庫で凍らせると、透明な氷ではなく真っ白な氷になってしまうことが多いですね。水中に溶けていた窒素や酸素の分子は、水が凍っても氷の内部には入れないので、気体として現れるしかありません。このとき生じた気体の泡（気泡）は、氷が成長するときに氷の中に取り込まれてしまいます。すると、この気泡に当たった光が散乱を起こし、氷は透明ではなく白く見えるのです。

　ところで、気泡を含んだ氷にどんどん圧力をかけていくとどうなるでしょう。気泡は、圧力とともにだんだん小さくなり、やがて氷の中から消えてしまいます。このとき、気泡の中の窒素や酸素はどうなってしまったのでしょうか。実は、氷の結晶の格子の中に取り込まれてしまっているのです。先程の話と矛盾しているようですが、圧力が高くなると水分子の配列そのものが変化して、無理やりすき間を作り、窒素や酸素の分子を取り込むことができるようになるのです。この特別な氷はエアハイドレート結晶と呼ばれ、実際に南極大陸を覆う氷床の深部で発見されます。氷床は、何十万年もの間に降り積もった雪が積み重なってできた、厚さが最大4キロにも及ぶ氷の塊です。このため、その深部では氷にものすごい圧力がかかっているので、気泡がエアハイドレート結晶に変化したのです。氷床は、深くなるほど古い空気を貯め込んでいます。まさに、”空気の化石”ですね。

（回答掲載日:2021年3月6日）