空中に水平に張り出す氷のメカニズム教えてください！

質問

田んぼや庭の窪地に、あたかも水があったかのように、氷が水平に張り出します。冷気とそうで無い気の関係と思うのですが、子どもにも分かるレベルで教えてください。

回答No.3

CatsWhisker · ベストアンサー

No.2の補足です。

どんなに寒い日でも空気の側は寒いのですが、「地面の下」はそれほど寒くないので「水たまりの底の方は凍らない」ということですね。風にさらされる場所よりも、地下の方が暖かい、と言ってしまってもいいかもしれません。

お礼

そうなんです。
氷がが張り出している部分のくぼみの底は泥状であっても、氷が張ったり、水がたまっていることは決して無いのです。

水がたまっていれば、その表面が凍るのです。

　　と、半世紀以上記憶しています。　(*^_^*)

回答No.13

ORUKA1951

No.12ですが、同心円になるのはたぶん--想像ですが
水面に氷が張った後、水が土に取られると氷の下に気泡が出来ますね。
それが、大きな円形（角のない形）になっている---これは水の表面張力---、その後気温の変化や風で、下に水のない部分の氷が溶けて、下の気泡の水面に氷が張る。
　それを数回繰り返すのじゃないかと・・

　最終的には観察しかないですけど・・

　そしたら、その条件を人為的に作って再現する。

　結局科学に頼るしかない。科学とは「推論」「観察や実験」「確認」という手続きですから・・。ぜひ、お子さんと一緒に確認してレポートにしてまとめさせてください。地域の科学振興展などで「金賞」
　私も、小さいときから母に徹底的にこの点はしごかれまして、「なぜ？」と声を上げようものなら、徹底して観察や実験をさせられました。「豆腐がなぜ固まる?」といえば一夏、毎日のように豆腐作らされました(^^)。「蟻地獄って??」といえば、すぐに近所の神社仏閣を探索して集めて半年近く観察させられました。

最初の質問ですが
＞子どもにも分かるレベルで教えてください。
　ではなくて、子供さん(いらっしゃれば)と一緒に観察してください。
　アリジゴク--Wikiで調べていてこんな例を見つけました。
【引用】＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ここから
報道によれば、千葉県袖ヶ浦市在住の小学校4年生がアリジゴクのお尻から黄色い液体が出ることを発見し、日本昆虫協会に報告した。1998年には研究者が「糞は排泄しないが尿はする」ことを調べ、尿の成分に関する論文も発表していたが[5]、多くの人が長年確かめようとしなかった昆虫の生理生態を小学生が自力で発見したことが評価され、この研究に対して協会より「夏休み昆虫研究大賞」が授与された。
￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣ここまで［ウスバカゲロウ - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%9F%BB%E5%9C%B0%E7%8D%84#.E3.82.A2.E3.83.AA.E3.82.B8.E3.82.B4.E3.82.AF )］より

お礼

蟻地獄、捕まえてみました。
ありがとうございます。

回答No.12

ORUKA1951

いずれにしても、水が土壌のほうに逃げていったり帰ってきたり、あるいは氷ごと持ち上げたりと霜柱が重要な要素だと思います。
　　　　　　　　　　＿＿＿＿＿
_____ _ _ _ _ _ ||||||||||||霜柱
　　＼_-_-_-_-------／→水

　静水でしたら樹状に氷は成長するのですが、風があるとそうも行かない。

　凍っていく様を一晩中観察してみたいですね。

お礼

＞凍っていく様を一晩中観察してみたいですね。
　そう、本当にそう思うようになりました。
　　自然観察が楽しくて、楽しくて終日歩き回っています。

数十年したら、確実にこの世の自然が永遠に見られなくなることが分かっているのですが、その最後の日まで、見続けていたいと感じます。

ありがとうございました。

回答No.11

ORUKA1951

No.9です。
＞土中が先に氷るなら，霜柱は，…　　，上部に泥を少し持ち上げますが，柱は綺麗な混じりけのない水ですね。
　これはシリコンの精製にも使用されているゾーンメルト法( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%BE%E3%83%BC%E3%83%B3%E3%83%A1%E3%83%AB%E3%83%88%E6%B3%95 )やチョクラルスキー法( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%81%E3%83%A7%E3%82%AF%E3%83%A9%E3%83%AB%E3%82%B9%E3%82%AD%E3%83%BC%E6%B3%95 )と同じ理由で、冷蔵庫で凍らせた麦茶が透明な氷と濃い過ぎる麦茶に分離するのと同じです。
　逆に言うと土から生えてくるからきれいな氷柱になる。

＞湖の木立に水平に張りだした氷は，水面と言うより，暖気の上にたなびいた冷気中の水分がじゅもくとそこから延びた氷に氷結して広がったようにも見えます。
　これは、洪水の後の写真です。
「冬場に洪水が起こるとこんなことになるの!?」自然ってすごいと話題になっていた写真:らばQ( http://labaq.com/archives/51779532.html )
　他にも色々このサイトにあったと思います。
　　冬の洪水--考えただけでゾウッとしますが・・

＞この，「凍っていた水が溶けてふたたび水溜りを満たす…」だけの時間の余裕と，地表の温度が氷を溶かすだけの上昇が考えられない，日陰の谷地で起こるのが，腑に落ちなかったのです。
　氷は一旦出来てしまうとなかなか溶けにくい物ですが、土はとても良く熱を吸収する--必ずしも直射日光なくても黒っぽい色は赤外線を吸収しやすい---ので、霜柱が先に解けるのでしょうね。
　いずれにしても、そう頻繁に目にする機会は少ない気象条件でしょうね。

お礼

回答No.９のWebをじっくり拝見しました。
大陸の洪水は、意外な光景の連続です。

一方、小さな空中氷と、その下に側にできる年輪のに疑問を呈する部分を見つけました。規模は、数坪に渡る私の記憶とは若干の違いはありますが、細部を鮮明に写した貴重な写真画像です。

ありがとうございました。

( http://nanorekawa.sakura.ne.jp/tour_140103_1.html )
『で、その氷を良く見ると、窪みの上に薄い氷が浮くように張り付いている。霜柱に押し上げられた、というわけでもなさそうだが、こういうのってどうやって形作られるんだろう？』

わぴちゃんのメモ帳
http://wapichan.cocolog-nifty.com/blog/2008/12/
『氷が張るとき、段階的に凍っていくのでしょうか？
等高線のような模様が形成されています。』

回答No.10

ORUKA1951

No.9です。
　翌日もできるのは、霜柱など地面内で凍っていた水が溶けてふたたび水溜りを満たすからでしょうね。
　しかし、良く観察されていますね。もう、先日までの寒波は来ないでしょうが---当方は瀬戸内で今年も積雪ありませんでした----、機会があったら、丑三つ時に出かけてみるのも酔狂かと。(^^)

お礼

＞翌日もできるのは、霜柱など地面内で凍っていた水が溶けてふたたび水溜りを満たすからでしょうね。

この，「凍っていた水が溶けてふたたび水溜りを満たす…」だけの時間の余裕と，地表の温度が氷を溶かすだけの上昇が考えられない，日陰の谷地で起こるのが，腑に落ちなかったのです。

重ねて，ありがとうございます。

回答No.9

ORUKA1951

これはとても良く目にする現象で、ひとことで言えば、そこが水面だったからです。
極端な例　http://i.imgur.com/sjQqW0j.jpg

　氷が張り始めて、その後水面下の水はどこに行ったのか・・・。これは氷が霜柱をつくる現象と同じ理由で、やがて地面が凍り始めると、氷表面の数分子の流動性のある部分が水を毛細管現象で吸い込んでしまうからです。そのような膜が出来たとき、注意してみると必ず霜柱もあるはずです。
　⇒( http://akagiyama.lets-sports.net/syoko2/kesamaru050516/sub3-199.htm )
の下の方
　⇒2014/01/03 東京都檜原村・笹野向林道～入沢林道ツーリング・他( http://nanorekawa.sakura.ne.jp/tour_140103_1.html )
　の上のほう・・
　⇒霜柱 水溜り - Google 検索( https://www.google.com/images?hl=ja&q=%91%9A%92%8C%20%90%85%97%AD%82%E8 )
　でたくさんでてきます。水面や地表が凍る温度になると、周囲の土質(ロームや水通しの良い土)によると、水が吸い取られてしまう。

　子供の頃、霜柱と氷の膜が必ずと言ってよいほど同居している理由・・・なぜそうなるかわかりませんでした。科学とはまず観察から疑問を持つことから始まる。

先日回答記事
　⇒かまくらは、なぜ崩れないのでしょうか？ - 物理学 - 教えて！goo( http://okwave.jp/qa/q8482332.html )
　の私の回答(no.5)に文献へのリンクがあります。

お礼

＞水面や地表が凍る温度になると、周囲の土質(ロームや水通しの良い土)によると、水が吸い取られてしまう。

土中から氷るのでは無く，地表面が氷るので，霜柱が立ち上がるのですね。土中から水分を引きあげて。

土中が先に氷るなら，霜柱は，…　　，上部に泥を少し持ち上げますが，柱は綺麗な混じりけのない水ですね。

湖の木立に水平に張りだした氷は，水面と言うより，暖気の上にたなびいた冷気中の水分がじゅもくとそこから延びた氷に氷結して広がったようにも見えます。

湖面が上がらないのに，その張り出した氷が，かたちを変えたら面白いですね。

山道の窪地に張った氷が，細い帯状に反対側に伸びて居るのも面白いですね。

大変貴重な氷の写真を紹介してくださり，ありがとうございます。

観察を続けます。

回答No.8

phobos

質問者さんが「氷が水平に張り出す」という現象は、添付図のようなもののことでしょうか？

それでしたら私も、日陰の水たまりや田んぼでよく見ることがあります。子供の頃だけでなく今でも見つけるとわざわざ踏んで割ったりしたくなってしまいます。

これはやはり、水たまりの表面が凍ったものでしょう。
凍らなかった水は地面に染み込んでしまったために空洞ができたのだと思われます。
いかがでしょう。

お礼

＞これはやはり、水たまりの表面が凍ったものでしょう。…
んでしまったために空洞ができたのだと思われます。

丁寧な絵図まで添えてのご回答ありがとうございます。
まさに、空洞があるのですが、一晩で、集中豪雨でも無い限り、水田の馬耕（鋤で水田を掘り返し天地返しをする）跡地に…。
少し、日の当たる部分では、周辺が厚く張り、中央部分は薄かったり、穴になっているのです。その穴をと同じように氷の裏側に等高線のように、氷の縁が幾重（２～３重）にも連なって垂れ下がっているのです。そのまま地面に逆さにおけば、ドーナッツ状の水盤になるように。

一旦氷った水が、氷のしたを伝って中心部の穴から底に向かってしたたり落ちる寸前に凍り付いたように、その輪は、断面は小さな放物線状に中心の穴と同じ形状で繋がります。

とけたり、氷ったりしながら周囲から中央に張り出すのです。

＞それでしたら私も、日陰の水たまりや田んぼでよく見ることがあります。

　　是非、氷の下に木の葉など置いてみてください。水が充満したその上に氷が張るのでしたら、その木の葉は、氷の下に張り付くか移動していると思うのです。
広く畳み数枚分の部分では、氷は水が無いと厚く張りだしません。全くの日陰で、水面から底まで張った氷を見つけると、“渡り氷”と呼び、運動靴や長靴でスケート遊びのように子ども達が集まりました。

補足

改めて、絵図を見ながら考察させて頂きました。
水田は、晩秋から初冬にかけて馬（牛）耕で、掘り返し稲株を逆さにして寒気に触れさせ、“春田”と呼ばれる“代掻き”つまり、稲の苗を植えるために、ドロドロに水田をかき回し、泥を沈殿させて田んぼの一面を完全に水平にする大仕事があります。最近は、この、初冬前の天地返しの鋤耕が無くなったので、私の不思議とする現象は、轍以外では、顕著では無くなったのです。

鋤耕した水田一面に氷があるのですが、日中陽の当たる部分にはほとんど現れないのです。冬は里山では日陰は長く伸びるのです。

畦で囲まれた水田全体が水で満たされたような位置に氷が張るので、これは、冷気（上側）暖気（地面側）との境に何らかの法則で、氷が空中に張り出すと考え他のです。

溝状に長くても、最大幅はせいぜい３０～４０センチほどなのです。

張り出した氷の地面側には、年輪＝日輪のように、数本の同じ高さの山脈のような氷の出っ張りが同心円状＝図面に書いた等高線のように、中心の氷らない穴と同形にできるのです。

これは、穴の縁で、冷気と暖気の微妙な干渉でできると思うのです。昼夜とは別に、水田状の空気の状況により、わずかにとけた氷が水滴の大きさになる前に穴の縁から中側に染みた段階で凍り付くのでしょう。氷の表面に一気に大量に水滴ができれば、中心部の穴から底に落ちるときに氷るとすれば氷柱になります。

氷柱にならずに、穴の縁の下側に同じ長さ＝高さの縁を作るので、この氷は、雨や流水からできた氷では無く、水田の馬耕の溝に溜まった空気と、周囲から流れ込んだ空気の温度差で、同じ高さに、張り出すと考えるのです。

つまり、一枚の水田全体（よく陽の当たる部分はほとんど氷らない）に、あたかも水面に氷が張ったように見えるのは、空気の温度差の境界線に氷が張ると考えるのです。

もし、田んぼに一杯に水が満ちると考えるなら、百姓は苦労して水を遠くの堰から引くことはしません。上下数枚の田んぼの持ち主で相談して水をためておけば春先の共同普請（水を引く共同作業）の負担はかなり軽くなるのです。

昔の百姓は、畦を槌でたたいて固めて、水が漏れないように維持したのです。

◇一旦溜まった水が氷が張ったのち、氷らない部分が土に染みこんだり、流れたりすることは考えられないのです。

《　冬期は“ミノテを切る”といって、排水口を開いていたので、水田には水が溜まらないのです。稲の生育期には毎日田んぼに通うのですが、水をたくさん溜めておくと、大雨等で畦が決壊すると、大変な土木作業になるので、水が溜まってもごく低く水面を維持するように“ミノテ”で調整したのです。排水路の整備が現在ほど整備されていない昔の里山の水管理は一口に述べられません。めいめいの百姓が、先祖伝来の知恵を水田の一枚一枚に尽くしたのです。》

“ミノテ”付近ではこの空中氷は見られずに、“ミノテ”の調整水位に氷が張ったのです。わずかに溜まった水が、空中氷の張り出しを抑えて、水面氷の張り出しを促したようです。

今回の質問のきっかけは、庭の隅で自家用車を洗ったところ、一旦水が無くなった靴跡に、翌朝この空中氷が見られたのです。但し、靴跡は大変小さいので、対岸まで直線的に細い橋のように張り出していたのです。写真を掲示すると、本題の田んぼや轍の空中張り出し氷と混同してしまうので、避けました。

回答No.7

fxq11011

私も変換誤りしました。
張り出すではなく張り始めるです。

お礼

＞張り出すではなく張り始めるです。

　氷は同じ高さから。中心に向かって伸びるので、張り出すでも間違いとは言い切れないと思います。

　ただし、自然現象は、現実を否定しては絶対に理解できません。教室の空論に終わってしまいます。

「何が正しいかでは無い！誰がそれを口にしたかが重要なのだ！」
恩師と慕う人から、教えて貰った言葉です。
今回の質問は、「先生」という立場の人がいれば、「そんなことはありません。」で、全員そちらに倣ってしまいそうな現象です。

回答No.6

fxq11011

>水平に張り出します
言い切っています。
＞水があったかのように
であれば、張り出す？張るが適当、そうか、張り出すの変換誤り、納得。

お礼

ごめんなさい　　m(_ _)m

パソコンや自動車のオタクのかたには、ご自分の知らないことを“無いですね”というように回答される方や、質問が間違いであるかのように指摘される“俺は神様だ！”然とした方が、沢山おられますね。時には質問を無視して持論を展開・戦わしてることを、多々見ています。

質問に答えて頂けないと…。

回答No.5

fxq11011

＞氷が水平に張り出します
これが事実かどうか疑問があります。
似た表現でできるのが霧氷ですね、湿った冷気が氷点下の木の枝に当たり氷になる、したがって風上側に成長する。
でも、エビのしっぽといわれるように、あたかも水があったかのように、の氷ではないですね。
前の回答者に１票。

お礼

＞これが事実かどうか疑問があります

　これが、私の質問なのです。　(*^_^*)

補足

＞あたかも水があったかのように、の氷ではないですね。

　　ごめんなさい　　m(_ _)m

パソコンや自動車のオタクのかたには、ご自分の知らないことを“無いですね”というように回答される方や、質問が間違いであるかのように指摘される“俺は神様だ！”然とした方が、沢山おられますね。時には質問を無視して持論を展開・戦わしてることを、多々見ています。

博学というか、自然科学分野で“fxq1011様”のように断言される方は、貴重な存在ですね。状況を把握して、過去の法則なりで説明することが、それだと思うのです。

＞前の回答者に１票。
　　どなたかに１票(この回答を支持するに)入れてください。

回答No.4

tadys

地面は空気よりも熱容量が大きいので、空気よりも冷えにくいのです。

水の比重は4℃の時に最も大きいので、水が冷えて0℃に近づいて軽くなると表面に移動します。

つまり、水は空気により冷やされ、冷やされた水は表面近くにとどまる為上から凍って行きます。
また、水には空気などのガスが溶けていますが、凍る時に水から追い出されます。
追い出されたガスは水と氷の間にたまるので氷の下に隙間が出来ます。
水が逃げ出して隙間が出来る事もあるでしょう。

お礼

＞水が逃げ出して隙間が出来る事もあるでしょう。
　水が逃げ出す溝も穴も無いのです。
　大量の水が蒸発するとすれば、真夏の炎天下でも数日を要するでしょう。

　　　ありがとうございます。

補足

寒冷前線のように、冷たい空気が水田を覆って比較的温かい湿った空気が冷やされた下降するささやかな対流が起こったらどうでしょうか？

その冷やされた段階で境目の高さの土塊に氷結する。冷やされた空気は下降して、再度泥に暖められて水分を含み上昇する。冷気に当たって再び下降する。そのときに氷結も起こる。過冷却の状況では、土塊や先にできた氷に触れた部分で急速に凍る。

上記の繰り返しで、次第に周囲の土塊から氷が空中で水平に張り出す。冷気と暖められた空気は攪拌されないと、水と油のように水平面で上下に分かれたままになる。

あくまでも、上が冷気で下側が、湿った暖気（上の側の冷気に比べてということです）であると言うこと。

直射日光が当たれば、氷を透過した日光でも底の泥の温度を十数度以上に上げることは可能だと思うのです。

実測しなければ、推論ですが、温室の効果を考えれば、温まった泥は、日がささない間に水蒸気を空気中に送り出すエネルギーは十分に蓄えていると承知します。

しんしんと冷えて、厚い冷気が静かに水田を覆ってしまったときに、水田の土塊の間に閉じ込められた温かい空気は、覆い被さった冷気との間で、水平に氷の板をつくり、その氷板がさらなる、冷気と暖機気の境をつくり、急速に氷の板を中心に向かって張り出し、ついには穴をふさいでしまう。

冷気が、静かに水田の上を厚くゆっくりと流れるとき、急速な冷却効果は持続し、泥は、太陽光で暖められた分だけ、泥中の水分を気化させて、冷気との境目まで上昇気流で持ち上げて氷結させる。　のでしょうか？