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。