氷に咲く水の花「チンダル像」を探しに行こう

透明な氷に強い光が当たると、氷は表面だけでなく内部からもとけます。光が当たり、氷の温度が０℃よりほんの少し高くなると、ぽつぽつと幾つかの点からとけ始めます。その形は、はじめは薄い円盤状ですが、次第に円の曲線にギザギザができ、そのうち六方向に枝が伸びて、雪の結晶とよく似た形になります。数ミリのものが多く、10ミリ程になることもあります。

チンダル像は、直接触れて熱が伝わる「伝導」でなく、光源から離れていても伝わる「放射」によって、氷が内部まで暖められてできるのです。

チンダル像の中心付近には、泡が１つできます。これは、氷がとけて水になるときに、体積が約９％少なくなるため、水が足リない分が泡になるものです。チンダル像は、氷の内部にできるので、この泡には、空気は含まれません。そのため、「真空の泡」と呼ばれることもあります（泡は水と接しているので水蒸気は含みます）。

チンダル像が、成長する過程を撮影した動画はこちら。

チンダル像は、雪の結晶とよく似ており、共に六角形です。雪の結晶は、水蒸気が集まってできる氷ですが、チンダル像は氷がとけてできる形。そのため、チンダル像は雪の結晶の逆と考え、「ネガティブクリスタル」と呼ばれることもあります。

では、雪の結晶やチンダル像が六角形になるのは何故でしょう？
氷は、水の分子（酸素Ｏと水素Ｈ２個でできたH₂O）が、温度が下がって立体的に結合したものです（図１）。それは、ある角度から見ると、蜂の巣のように水分子が六角形につながった構造になっています。この六角形が作る方向に沿って成長すると六角形の雪の結晶になり、この方向に沿ってとけると六角形のチンダル像になる、と考えることができます。

2014年1月15日、この日は前夜からよく冷えましたが、朝から日差しが強く、日中気温が上りました。加賀市の公園を散歩していて、私は浅い池（深さは18㎝程）に氷がはっているのに気がつきました。近づいて見てみると、氷には小さな丸い形や六角形が一面にできていました。「チンダル像だ！」と直感し、カメラを取りに急いで家に戻り、再び池に戻ったのは11時半頃。

氷を少し割って取り出し、この氷のチンダル像の「影」を撮ろうと試みました。白い発泡ケースに写してみたら、反射が強くて見えにくかったので、緑色の野帳の模様のない裏表紙に氷をのせると、像の輪郭がはっきり写って見えました。これを撮ったのが1枚目の写真です。このチンダル像の形は、冒頭の写真と比べると、枝の伸びが少なく柏の葉のような形をしています。

この経験から、野外でチンダル像を観察するにはどうしたらよいか、考えてみました。

1月15日の前夜は、日本付近は冬型が緩んで移動性の高気圧に覆われていました（1枚目の天気図 参照）。15日は晴れて雲がなく、放射冷却で夜から朝までよく冷えて「氷がはりやすい」条件でした。又、朝から太陽の光が強く照り、「チンダル像ができやすい」条件だったのです。

現地に近い小松のアメダスの観測値（2枚目の図）を見ると、1月15日は、最低気温が低くて日照時間が長く、チンダル像ができるのにはよい条件だったことがわかります。

小松のデータを参考に、3枚目の図では、各地の最低気温と日照時間の観測値を表にしてみました。「氷がはりやすい」条件を緑色、「チンダル像ができやすい」条件を黄色でカラーリングしています。これを見ると、関東地方など太平洋側では、冬型の日にもよく晴れ、朝の最低気温も氷点下になる日が多いので、北陸と比べて、チンダル像を見る機会は非常に多いことがわかります。

STEP4の条件を参考に、チンダル像を探しに野外に出かけてみましょう。観察場所を選ぶポイントは、「氷がはること」「太陽の光が当たること」の２つです。あらかじめ、氷がはりやすそうな池を探しておくと良いでしょう。深い池は凍りにくいので、浅い池がおすすめです。また、噴水などの流れがある池は避けましょう。

天気予報を確認し、 STEP4で説明した気象条件に近づいたら、あらかじめ探しておいた池に観察に出かけましょう。池に氷がはり、太陽の光が当たっていたら、氷の表面をじっくり観察します。そして、六花の模様や泡が見られたら、適度な大きさ（直径10～20cm）に氷を割って取り出します。このとき、手を切らないよう注意しましょう。

氷を取り出したら、空中に透かして見ましょう。チンダル像が出来ていれば、「真空の泡」がキラキラ輝いてわかりやすいです。また、泡のまわりの水の範囲も観察しましょう。小さな氷なら、洗濯バサミで角をつまむと、手の温もりで氷がとけないので便利です。

チンダル像が小さいときは、さらに太陽の光が当たると大きくなるので、少し時間を置いて観察しましょう。但し、氷がうすいと、とけてしまっては観察できなくなるので、注意が必要です。

チンダル像が観察できたら、写真を撮りましょう。チンダル像そのものを撮るのは難しいので「影」を撮ります。柄のない色のついた厚紙やプラスチックの板などの上に氷を置くと、太陽の光でチンダル像の影が写るので、その影を撮ります。その時、氷のそばに小さい定規を置いて一緒に写すと、大きさの記録になります。スマートフォンなどのカメラのズーム機能で拡大して写すのも良いでしょう。

チンダル像の写真が撮れたら、ぜひ「やった！レポ」にも投稿してください。撮影した日時・場所や、天気、観察してわかったことや感想など、メッセージも添えて、シェアしてください。

これまでのSTEPでは、野外にできた天然の氷に、太陽光が当たってできたチンダル像を観察する方法を紹介しました。しかし、うまくいかない場合や室内で実験したい人のために、番外編として、人工的に氷を作り、必要なら電燈の光も使って観察を行う方法を紹介します。

チンダル像は、池や湖の表面にはった氷にできやすいので、池や湖の凍り方を真似して、氷を作ります。池や湖の水は、放射冷却で上に向かって熱が逃げ、上側から冷えて凍ります。その結果、池や湖の氷は、全体が1つの結晶（単結晶）になりやすいのです。

尚、工場で作る氷は、水を冷やす金属容器の側面から横方向に（底からは上へ）凍っていきます。このため、容器の側面から沢山の結晶が成長して多結晶の氷になります。チンダル像は、ひとつの結晶内では同じ方向に成長する性質があるため、単結晶の氷の方がチンダル像の観察には適しています。

チンダル像に適した氷の作り方は、状況に合わせて次の2つがあります。

- 気温が氷点下になるが、付近に適当な池がない場合：
夜、水を入れたバケツを外に置いて、朝までにできた氷を使う。観察には、バケツの水が1～2cmほど凍り、その下にはまだ水がある状態が理想的なので、10～20cmほどの水を入れておきましょう。

- 気温が氷点下にめったにならない場合：
冷凍庫で氷を作りましょう。冷蔵庫に入る大きさの発泡スチロールの箱に水を入れ、箱のフタは閉めずに、冷凍庫の中で一晩冷やします。そうすると、上からだけ冷えるので、池や湖の水が冷えるのに似た状況になり、単結晶に近い氷ができます。手順は、画像（1）～（4）の通りです。作った氷は、取り出してからビニール袋などに入れ、必要なときまで冷凍庫で保管しましょう。

STEP7で作った氷に強い光を当て、チンダル像を観察します。強い光を当てるには、以下の2つの方法があります。観察方法は、STEP6と同様です。

- 太陽の強い光がある場合：
氷を太陽の直射日光の当たる場所に置き観察します。気温の低い冬場は、太陽の光の強さにもよりますが30分ほどするとチンダル像が現れ始めます。夏場は、気温が高いため、氷が早くとけるので注意が必要です。

- 太陽の強い光がない場合：
太陽光の代りに、レフランプ（150～200ｗ）や赤外線のストーブを使い、室内で観察することができます。