霜の結晶

 「」は、雪の結晶と同様に、大気中の水分が昇華凝結してできるものです。それを顕微鏡で拡大すると、雪の結晶と同じく精細な氷晶の姿を観察することができます。 北海道では、厳しく冷え込んだ朝には部屋の窓にはもちろん、自動車の車体や家の壁、そして庭の草木の一つ一つにまで、とにかく野外にある物の表面には、いたるところに大きく成長した霜が付着することがあります。

 しかし、冷え込みが厳しく気温が氷点下15℃位まで下がった時には必
ず一面の霜景色になるかというと、それは少し違うようで、気温が低くて
も日によっては霜が全然見られない朝もあります。そんな日は、単に冷え
込みが厳しかったなあというだけで、言葉通り「寒々とした朝」になります。

 霜が大きく成長するかどうかということは、これもやはり、雪の結晶と
同様に、大気中の水蒸気が多いか少ないか、ということが影響してい
るようです。

 一方、至る所に大きく成長した霜が付着し、一面の霜景色が広がった
朝には、それらの霜が朝日の光を反射して一斉に輝きますので、草も木
も、家も車も、とにかく野外にある全てのものが、まるでガラス細工で装飾
されているかのように一斉に輝きます。 

 天然に見られる霜の形については、これもやはり、中谷宇吉郎博士が雪の観察をしている合間に各種の霜の結晶を観察し、その外観から「針状」、「羽毛状」、「杯状」、「平板状」、「樹枝状」の5種類の霜の結晶が見られることを述べています 1)

 このうち、「針状」と「羽毛状」は、どちらも雪の角柱結晶と同じように小角柱からできており、「平板状」と「樹枝状」の霜では、それぞれ雪の板状結晶、および羊歯状結晶と同じ構造が見られるということです。また、「杯状」の霜は洋酒杯のような形のもので、たいていの場合は、その一部分を形成している程度の場合が多いとされています。

 したがって、それぞれの霜の特徴を図にすると、下図のようなイメージになると思います。雪の結晶と異なり、何かに付着した状態で成長する霜では、きれいな六方対称形になることはあまりないようです。

窓に付着した霜の結晶

窓の表面に付着した霜の結晶
枯れ草に付着した霜の結晶
枯れ草に付着した霜
窓に付着した六角板状の霜
窓に付着した六角板状の霜

ダイヤモンドダスト


 氷点下15℃の朝、霜と同様に冬の景色に彩を与えてくれる気象現象の一つが「ダイヤモンドダスト」です。夜間に気温がグッと下がり、寒さの厳しい朝を迎える時は、大抵の場合は放射冷却現象が起こっています。したがって、ダイヤモンドダストが見られる朝には、目が覚めるような快晴の青空が広がっていることが多いようです。

 そして、その青い空と、白い雪景色を背景にして、朝日の光の中で空気が時折キラキラと輝いて見えると、ダイヤモンドダストが生じていることがわかります。

 草の葉や車の窓で成長している霜を直接顕微鏡で観察するのは難しいため、透明アクリル板の上に霜を付着させ、それをレプリカにしてから観察してみました。その様にして観察できた霜の結晶を以下に掲載しました。

 中には、雪の結晶と似たような姿に成長している霜を見つけることもありましたが、多くの場合は、雪に見られる結晶の形の一部分だけが大きく成長している状態であると思います。 

霜とダイヤモンドダスト
六角板状の霜の結晶
針状の霜
樹枝状の霜
骸晶角柱状の霜
 上の3つは、左から順に、それぞれ中谷博士が述べている霜の形の「平板状」、「樹枝状」、「針状」の霜に相当するものですが、何れも雪の結晶と似たような形をしているものを選んでいます。

 また、右下の写真は骸晶角柱状の霜です。この様な形の純粋な結晶は、天然の雪ではあまり見られなくて、他の結晶型(板状や柱状)と組み合わせになっている場合が多いのですが、人工的に結晶を成長させる実験では、空気中の水蒸気量がある程度の場合に、この様な形に成長することがわかっているそうです。

 雪の結晶は、空気中の水蒸気の量が少ない時は角柱や厚角板
のような単純な形に、また、多い場合には針や樹枝といった複雑な
形に成長します 2)。そして、右のような骸晶状の結晶は、水蒸気の量
がちょうどその中間の条件の時に成長する形であるということです。

 雪の場合は、空中で漂いながら結晶が生じ、それが落下してくる
間に様々な条件(気温と水蒸気量)の空気を経てきます。したがって、
「二つとして同じ形のものはない」複雑な形になります。

 一方、霜は、地表付近の(気温と水蒸気量が急激に変化しない)
安定した空気の中で、何かの物体に付着した状態で成長しますので、
雪の結晶のような複雑精緻な姿になることは稀ですが、安定した
条件の中でゆっくりと大きな結晶に成長しているように思われます。

 ダイヤモンドダストのでき方は雪の結晶と同じであり、水分の昇華凝結により空中で氷晶が生じたものですが、その大きさがとても小さいために、特に急速に落下する訳でもなく氷晶が空中を漂っているものなんだそうです。その小さな氷晶は一体どんな姿をしているのか、確かめてみようと思いました。

 部屋の中でドライアイスやフリーザーを使って人工的にダイヤモンドダストを発生させた時には、そのレプリカを作ってから顕微鏡で観察することができます(左の写真) 3)。そこで、野外で空中を漂っているダイヤモンドダストにもその方法を応用し、小さな氷晶を捕まえてレプリカを作製してから観察してみることにしました。



 具体的には、ダイヤモンドダストが舞っている野外にレプリカ液(または光硬化性樹脂)を塗布したスライドガラスを放置しておき、そこに付着した氷晶のレプリカを作製する訳ですが、スライドガラスにはダイヤモンドダストだけではなく、雪面から風で飛ばされてきた小さな雪の粒(飛雪粒子)も付着することになります。

 そのレプリカを観察すると、様々な形の小さな氷晶を認めることができます。その中で、比較的六方対称形の整った形のものが空中で生じた結晶、つまりダイヤモンドダストであると見当を付けて詳しく観察してみました。

 
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ドライアイスを使って人工的に生じさせたダイヤモンドダストのレプリカ。極めて小さな六角板が見えますが、このような結晶は「初期氷晶」と呼ぶそうです。

人工的に作製したダイヤモンドダストのレプリカ

左:角板状の霜、中:樹枝状の霜、右:角柱状の霜(何れもレプリカを観察)

骸晶角柱状の霜(レプリカを観察)

枯葉に付着した杯状の霜
枯葉に付着した杯状の霜(レプリカを観察)

さまざまな霜の結晶

窓の霜 板状の霜 板状の霜
角柱の霜 角柱の霜

透明アクリル板に付着した霜(レプリカを観察)。結晶が空中まで伸びた時には、雪と似たような形になるようです。

角柱状の霜(レプリカを観察)。
右側の写真では発達していくつ
かの角柱が束になっています。

左 : 車の窓にできた六花状の霜。中心から
    六本の樹枝が伸びてい ます。

右 : タイヤの上にできた平板状の霜。早朝
    には無数に見られる霜ですが、朝日を
    浴び るとすぐに溶けてしまいます。

六花状の霜 タイヤの上の霜

水辺の枯葉に付着した羽毛状の霜(左)とそのレプリカ(右)。針状結晶の束でした。

氷点下の野外を漂うダイヤモンドダスト。小さな輝きを写真
に収めるのが難しかったのですが・・・見えるでしょうか?
このダイヤモンドダストは、どんな姿の結晶なのか?レプ
リカを作り、確かめてみました。

羽毛状の霜 羽毛状の霜のレプリカ
大雪山のダイヤモンドダスト
アイスパビリオン入り口 アイスパビリオンは巨大な低温室 マイナス40℃体験コーナー 超神秘現象・・・ダイヤモンドダスト
大雪山の麓、上川町にダイヤモンド
ダストを公開しているアイスパビリオ
ンがありました。
中は巨大な低温室 マイナス41℃の体験も頑張ってクリ
アー。さらに先に進むと・・・
ダイヤモンドダストが煌めいていまし
た!

アイスパビリオンでダイヤモンドダストを見た!!

ダイヤモンドダストの氷結晶1 ダイヤモンドダストの氷結晶2

ダイヤモンドダストのレプリカ。立体構造が良くわかるように撮影した画像(全焦点画像)です。こんな形の小さな氷晶を捕らえることができました・・・。

サンピラー(太陽柱) 夕陽に染まる大雪山

夕暮れに見られたサンピラー(太陽柱)。上空にある
氷晶に光が反射して生じるそうです。

夕陽に染まる大雪の峰々

参考書籍・文献

 1) 中谷宇吉郎,1994:雪.岩波書店,181pp.
 2) Kobayashi, T., 1967: On the variation of ice crystal habit with temperature. Physics of snow and ice: Proceedings, 1(1), 95-104.
 3) 平松和彦,2002:ダイヤモンドダストの観察と簡単なレプリカ作成方法.日本気象学会春季大会講演予稿集.81,p439

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