霜柱実験① ~そうだったのか!霜柱!~

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こんにちは!梶井です!

すっかり寒くなり、朝起きるのがつらい季節になりましたね。

最近の私のブログは少々マニアックな話が続きましたが、今回は身近な話で季節の変化を科学的に感じてみましょう! 私が選んだ今年の冬の主役はこちら!

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踏むと「ザクザクッ!」という音が楽しい、冬の風物詩の「霜柱」です!

なぜ、今さら霜柱の話をしようかと思ったか。 それは、先日、雪の研究で有名な 中谷宇吉郎の本の一文で思わず叫びそうになったくらい驚いたからです!


「霜柱は~(中略)~ドイツなどではできないというので(後略)」


梶井「(なんてことだ!!!)」


正確には「ドイツなどでは霜柱はできにくい」だとは思うのですが、自分にとって、冬になればできて当然の存在であった霜柱が「できない」ところがあるなんて!


いてもたってもいられず、調べてみたところ、金光達太郎氏による「霜柱の生長に関する研究」(千葉大学園芸学部学術報告(第30号, 61-86 (1982))に出会いました。

この報告の中にも、「1870年頃から1880年頃にかけて、霜柱を見たというような断片的な報告が、(英国の学術論文誌)Natureの寄書欄に盛んに掲載されたことがある。しかしそれらは、英国では珍しい現象だったために興味を持たれただけで(後略)」とあります。イギリスでも霜柱はできにくいようです。


この報告では、霜柱の生長の条件や生長の様子を、数式を使いながらで扱っていて、そういう科学があったこと自体も驚きでしたが、特に以下の2つの文が衝撃的でした。


「霜柱は、冬の最低気温が、しばしば0 ℃~-10 ℃になるという気象現象と、火山灰を含むという土壌条件の両方をそなえ、しかも雪の少ない地方の地表によく見られる現象である。わが国では関東平野がその代表的な地域で、これに中部地方、東北地方南部の平野地域が加えられる。」


「霜柱は、農業、土木、造園の分野で大きな問題を提起している。すなわち冬作物の根を押上げて生育を妨げ、運動場の長期にわたる霜どけのぬかるみをもたらし、道路を破壊し、場合によっては山腹や法面の崩壊をもたらすこともある。」


25年間も茨城という首都圏に引きこもっていた自分の世界の狭さを痛感しました。


そして、小さい頃から踏んで楽しんでいた冬の風物詩が、一方では害をもたらす存在であったことに驚きを隠せませんでした。

霜柱で農家の方々がどのような被害を受けているかにも興味はありますが、今回は、霜柱ができる条件に焦点を当ててお話します。


霜柱は以下のように生まれます。

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① 冬の冷えた夜・・・
② 水分が地表で凍る。
③ 地中の水分が毛細管現象によって地表方向に移動。
④ 地表で凍っている部分を押上げながら、ニョキニョキと柱状に凍結。


ポイントは、空気中の水蒸気が凍ってできるのではなく、地中の水分が凍ってできる点です(空気中の水蒸気が凍ったものは"霜")。
なので、霜柱の表面には一番初めに凍ったところの土が付いているんですね。ふむふむ。


さて、先程の千葉大・金光氏の報告書によれば、霜柱の生長に欠かせない因子は二つあるそうです。

(a) 気象条件
(b) 土壌条件


(a)に関しては、水が凍るために地表面温度が0℃以下になる必要があることを指します。
外気温だけでなく、地面の冷却に影響を及ぼす夜間の放射や対流などといった気象条件が重要となります。


ここまでをまとめると、晴れて冷え込むような夜は霜柱ができやすいわけですね。
「霜柱の立ちたる日は天気が良い」という観天望気もあるようですが、「昔の人は自然を良く観察していたんだなあ」と改めて感心します!


そして、温度さえ適切ならばどこでも霜柱はできる!というわけではなく、(b)の土壌条件が必要となります。

まず、土壌水分が地表に氷として析出するためには、土の表面に微粒子が含まれている 必要があります。
その後、毛細管現象によって地中からの水分補給が行われます。これがきちんと起こるために、土壌中に細かい隙間のあることが重要となるわけです。
土がフワッフワの畑だと霜柱が良く立って、踏み固められた地面だと霜柱が立たない秘密はこのあたりにありそうです。
もちろん、適度な水分も必要です。カラカラに乾いていてはダメなだけでなく、地中の水分が多すぎても、隙間が埋まってしまって逆効果らしいです。難しいですね。


関東地方は、関東ロームという火山灰由来の土に覆われています。これが霜柱に適した土壌条件を満たしているので、関東では霜柱をよく見ることができるわけです。


「今まで気付いてあげられなくてごめんよー!」と、霜柱たちに対して謝罪したい気持ちでいっぱいです。

と、ここまで霜柱ができる条件についてお話してきたのですが、梶井にはある信念があります。


「科学は実験をしてこそ!!」


ということで次回のブログは、
霜柱実験②~霜柱をつくってみたよ!~ → Coming Soon!
です!お楽しみに!



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この記事への7件のフィードバック

霜柱は私も小さい頃に友達でした。
海外にもたくさん行くことがありましたが、ヨーロッパで出来づらいのは知りませんでした!
でも、南アフリカの砂漠ではミニ霜柱を見た記憶があります。
砂だと、水の供給ができるからでしょうか。
次回の実験編、楽しみです!

ドイツ在住の者です。

こちらでは、寒い朝はぬかるんだ土全体が凍ってカチカチになるか、土の上に霜が降りるかのことが多いです。踏んでもザクザクしないので、子供が(私も)残念がっています。
霜柱をほとんど見かけないのは、気象条件のせいと思ってましたが、土壌が違うからなのですね。納得です!今度からは霜柱を見つけたら、土を観察してみようと思います。


ギャンブラーM 様

初めまして。科学コミュニケーターの梶井です。

とても貴重な体験談をありがとうございます。
アフリカの雄大な砂漠で見る霜柱、想像するだけで素敵です!

>砂だと、水の供給ができるからでしょうか。
本文にも登場した金光達太郎氏は、玉川上水の河底から採取した砂を用いて霜柱を作ることに成功しています。
ネタバレになってしまいますが、2本目のブログでも日本の砂浜の砂を用いて霜柱を作ろうとしています(残念ながらうまくいっていません)。

私は地質学に明るくないので正確なことはお伝えできないのですが、
砂の種類や粒の細かさによって、霜のできやすさや給水能力に違いが出るのだと思います。

今朝も霜でした 様

初めまして。科学コミュニケーターの梶井です。
海外からコメントをお寄せいただき、とても嬉しく思います!

もちろん、気象条件も重要です。
冬のドイツは寒いので、土の表面の下も凍ってしまい、毛細管現象が起きなくなるということが考えられます。

土壌条件で考えますと、イギリスのサウサンプトン大学が公開している地質図によれば、ベルリンの辺りは第四紀、つまり今私たちが住んでいる地質時代に堆積してできたものです。
なので、極端に日本と大きな違いはないと思われますが、土の粒の大きさの影響が大きいのだと思います。
実際に、中谷宇吉郎の本でも、ベルリンの土をすり潰すことで霜柱をつくることができるとの記述がありますので、もしよろしければ、霜柱を作ってみて下さい。

私はドイツには行ったことがないので、畑の様子が気になります!!


※以下のURLから、サウサンプトン大学の公開している西ヨーロッパの地質図が見れます。
http://www.southampton.ac.uk/~imw/Geology-Britain.htm

今まで何気なく見ていた霜柱!
そんな深い話があるなんでびっくりしました。
日本で一番霜柱が見れるところ?巨大な霜柱はできるところ?
なんてあるんでしょうか。

冬は足元に注目ですね。

あおがえる 様

初めまして。科学コミュニケーターの梶井です。
コメントをお寄せくださり、ありがとうございます。

私も霜柱に関しては今年から調べ始めたばかりなので、びっくりすることばかりです!
身の回りは面白いことだらけですね。

>日本で一番霜柱が見れるところ?巨大な霜柱はできるところ?
なんてあるんでしょうか。

→気になります!が、まだ調査できておりません…
試しにSNSで「霜柱」と検索したところ、ものすごい数の写真が出てきて、
中には「すごい!」と言いたくなるほど立派なものも見られました。
愛好家の方がたくさんいらっしゃるようですので、一度お話を伺ってみたいです!

体系5㎝程の左巻きカタツムリを10匹ほど飼っています。カタツムリは低温に強い話を入手したので-20℃の我が家の冷凍庫に30分ほど入れたところ殻に霜柱が出来ていました。(死ななくて良かったし悪いことをしたと思っています)
汚れない外壁タイルが研究員によって開発された殻に細かい溝があり水分を含んでいることが実感できたみたいで少々嬉しかったです。
似た現象として、梅雨時に、雨の天気予報が近づき湿度が高くなると飼っているカタツムリの殻が濡れることも実感しています。(殻の水分+外気の湿度で飽和状態になっていると勝手に考えています)
もう一つ、死んだカタツムリの殻と生きているカタツムリの殻にマジックを塗った後
水をかけて生きているカタツムリのマジックが消える実験もしたいと思っています。以上の「3つのEVIDENCE」でビデオ作品を作ろうと考えています。

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