霜柱が成長するわけ

質問

霜柱がどういうしくみでできるのかを検索してみたところ、様々なサイトで同じような説明があり、要約すると「地面を境にして上が0℃未満で下が0℃以上の時にでき、地面で水分が氷になると下から毛管現象によって水分が供給され、その水分がまた氷になり、それを繰り返して霜柱ができる」ということでした。

私の疑問は２つあります。
１つ目は、毛管現象で水が揚がってくるためには、上部にまだ濡れていない部分があることが必要だと思います。だから、上の方の水が蒸発で無くなれば下から揚がってくるというのはわかりますが、上の方が凍った場合にどうして揚がってくるのかわかりません。

２つ目は、霜柱が成長するときに、初めに凍ったところの上まで水分子が移動してきて凍るのか、それとも氷の下に到達したときに凍るのか、どちらでしょう。それともどちらでもないのでしょうか？
（霜柱が土を持ち上げるのは氷になると体積が増えるからだという説明をよく見かけますが、増えると言っても数％のはずなのに、実際は霜柱の長さの分くらい土が盛り上がっているように感じるので、予想では、初めに凍った所の上まで水分子が移動してきて凍るのではないかと思っていますが。）

質問者は大人です。高校卒業程度の理科の知識があるものとしてご回答をお願いします。

回答No.3

suz83238 · ベストアンサー

まず、注意すべき点は霜柱ができる条件は気温が0℃以下でも土が0℃以上である点です。そうでなければ土の中の水が凍ってしまうからです。さて、ガラス管でたとえましたが、ガラス管全体が0℃以上、ガラス管の先が0℃以下とすると、ガラス管の先端の水は極薄く凍ります。（厚みがないくらい薄い）おそらく凍ったときに凝固熱が発生するため、ガラス管の内部は冷えないと考えます。凍るとその部分の水が少なくなり、それを補う形でガラス管内の水が毛細管現象で上昇する。上昇して薄い氷を持ち上げる→水が凍る→水が上昇する、という繰り返しになります。
凍るとガラス管に蓋ということならば、蓋は水も移動できないくらいガッチリ凍る、すなわちある厚みを持って凍るということになりますが、先程も言ったとおり、極薄く凍れば、毛細管現象で上昇した水に押されて浮き上がると言うことになるでしょう。

お礼

ガラス管の出口で凍るということは、ガラス管に氷はくっついていないと考えるのですね。わかりました。
そして氷は固体なので、液体の水は氷の下まで入り込もうとする訳ですね。
よくわかりました。
何度もご回答ありがとうございました。

回答No.4

hosoya

http://weather.livedoor.com/term/121.html

をご覧下さい

お礼

hosoyaさん、ありがとうございました。
ご紹介のサイトの図、とてもわかりやすいですね。
これを見ると、水は初めに凍った氷の下まで行った時に凍るようですね。

回答No.2

suz83238

表面の水が凍ったときに下の水を引っ張りあげる力は、毛細管現象によるものです。

>凍ったと言うことは、管の上に蓋ができる
例えば、細いガラス管があり、ガラス管の中は水で満たされているとしましょう。ガラス管は温度が高く（0℃以上）、ガラス管の出口は0℃以下とすると、ガラス管の出口の水は凍ります。そうすると、氷周辺の水を奪うため、ストローで水を吸い上げるように水が下から上がってくるのです。（このとき、吸い込む口が氷と思って下さい）上がってきた水は凍る、この繰り返しとなります。

>毛細管現象なら、上にも書きましたが、乾いていることが必要だと思うのですが、違いますか？
この乾いているというのがよく分からない表現ですが、凍っている部分はある意味において乾いているとも言えます。

お礼

ご回答ありがとうございます。
「乾いていることが必要」と書いたのは、例えば、乾いたタオルを平らに置いて真ん中に水をたらすと毛管現象で周りに広がりますが、十分濡れたタオルで同様のことをしても、水は周囲には広がらないということからです。
ロウソクが燃える時にはロウが糸のてっぺんで燃えてどんどん無くなっていくので、下から補給されるのですよね。これはわかります。
しかし、このロウソクが燃えることと、毛管の上部で氷ができることが同じ事だとは思えないのです。氷ができたら、管がふさがってしまうと思うからです。

つまり、snz83238さんの「ガラス管の出口の水は凍ります」ですが、これでは蓋になってしまって、ストローにはならないと思うのですが。どのように考えたらよいのでしょうか。

しつこくてすいません。
お忙しいとは思いますが、まだ、おつきあい頂けるようでしたら、教えてください。

回答No.1

suz83238

１つめ
表面の水が凍ることで、下の水を引っ張り上げると考えると分かりやすいでしょう。

２つめ
引っ張り上げられた水が表面で凍る、そしてまた水を引っ張り上げる。この繰り返しで霜柱は成長するのです。つまり、水は氷の下まで来て凍るということになります。当然、土中の水分が少なくなれば成長はそこで止まります。（土中の水分と毛細管現象との平衡状態で停止）
氷になれば体積は10%増しになりますから、凍って体積が増えることで細い氷の柱になります。
毛細管現象のため、土の粒子が大き過ぎても細か過ぎても起こらないのです。ある意味、珍しい現象といえます。

お礼

素早いご回答ありがとうございます。
１つめですが、表面の水が凍ったときに下の水をひっぱいあげる力は、何力ですか？凍ったと言うことは、管の上に蓋ができる事だと思うので、なぜ引っ張ることができるのかわかりません。毛細管現象なら、上にも書きましたが、乾いていることが必要だと思うのですが、違いますか？
２つめですが、ということは、霜柱の上に付いている土のすぐしたの氷は、その夜一番最初に凍った氷だと言うことですね。ありがとうございました。