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歴史：雪の結晶の観察

2009-10-07T20:52:14Z

雪の結晶の観察

降る雪の一つ一つの形を観察して、スケッチに残した先人の記録がいくつも残っています。

マグヌス（スウェーデン）1550年頃

雪を観察して、その形を記録したものが残っている最も古いものは、1500年代になります。スウェーデン人マグヌスの記録です。三日月のような形や、くらげのような形のスケッチが残っています。さまざまな形があることを見つけましたが、一つ一つの結晶の本当の形を見ることができていなかったようです。観察方法が肉眼か虫眼鏡程度だったため、観察の細かさには限界がありました。

ケプラー（ドイツ）1610頃

雪の結晶の観察が劇的に進むのは1600年代です。ケプラーは遠くの星の観察をするとともに、身近な雪の観察もしたようです。この頃には、遠くを見るための望遠鏡が発明されましたが、近くのものを観察するための顕微鏡も発明されました。顕微鏡の発明は、雪の結晶の観察精度を飛躍的に高めることになります。雪の結晶が六角形であることを最初に記録に残したのは、ケプラーです。なぜ、六角形なのか疑問に思ったようです。

デカルト（オランダ）1630年頃
マルテンス（ドイツ：旅行家)1675
ロセッティ（宗教家・数学者）1681
スコレピー（イギリス：捕鯨業者)1820
グレイシャー（イギリス：気象学者）1855
ノイハウス/シグソン/ヘルマン(ドイツ）1894
雪の写真家ベントレーの登場となる

雪ができるもう一つの理由：空はなぜ寒い

2009-10-06T20:42:47Z

なぜ上空は寒いのか

子供の頃、大空の高いところは、太陽に近いのに、なぜ温度が低くなるのか理解できませんでした。山の高いところに最初に雪が積もります。地上の低いところよりも高いところのほうが温度が低いというのはなかなか不思議なものです。

暖められた空気は上昇する・上空では急激に冷える

空気は暖められると、上昇気流となって上っていきます。ですから常識的に考えると、暖かい空気が上空にあると考えるのは間違っていません。
ところが、空気の温度を決めるのはもっと複雑な物理の現象なのです。

空気が上昇気流となって上空に上っていくと、圧力が低くなります。その結果、空気は膨張して、体積が大きくなります。
たとえば、圧力が１０分の１の高さまで上昇すると、体積は１０倍になります。体積が１０倍になったということは、今までと同じ体積の空気の塊が１０個できたと考えることができます。全体の空気が持っているエネルギーの総量は変わらないので、１０個に分かれた、それぞれの空気の塊が持つエネルギーは、１０分の１づつになります。
結果的に、上空の空気の薄いところでは、温度が急速に冷えることになります。

冬に天気予報で、「上空にマイナス４０度の冷気が入ってきたので、今夜は冷えます。」などということがあります。このようなとてつもない冷たさは、単純に熱が伝わって発生するのではなく、圧力の変化によって生じる温度変化なのです。
この変化を断熱膨張といい、体積が大きくなると、その結果温度が冷えることになります。このように体積の変化によって生じる温度変化を利用するのがエアコンなどの冷却作用、暖房作用なのです。
このほかにも大きな温度変化の原因になるものは、水が水蒸気になるときの気化熱などがあります。

上空ではどのくらい温度が下がるのか

自然界で起こることは、断熱膨張だけではないので、単純にはいえませんが、通常１００ｍ上がると、０．５度温度が下がるというのが目安になります。地上が０度であれば、４０００ｍでは、マイナス２０度、１００００ｍの上空ともなると、マイナス５０度ということになります。
巻雲（しらす雲）などは、８０００ｍ～１００００ｍの上空に発生しますので、水滴ではなく氷の粒（氷晶）でできているということになります。この氷晶に水蒸気が凝縮してくっついて発達すると、雪の結晶ができるということになります。

雪の結晶の分類

2009-10-06T20:37:19Z

雪の結晶の分類：中谷宇吉郎による

雪の結晶というと、雪印のマークでおなじみの六角形の花のようなイメージがあります。
しかし、実際に降ってくる雪の結晶は一口に六角形といっても様々で、すべてが雪印のマークのような形をしているわけではありません。
それでは、どのような形の雪の結晶があるのでしょうか。

１．針状結晶

・きわめて細い針が数本束になったような構造の結晶
・気温が比較的高く０度に近いときに降る。（水蒸気が多いとき）
・欧州では観察記録がきわめて少ないが、北海道では珍しくない。

２．角錐・角柱・砲弾型

・ピラミッド型のこと
・スコレピーが北極圏で最初に観察した。北海道でもまれで観察数は少ない。
・人工的には比較的簡単にできた。

・雪の結晶としてはよく知られている形である。
・両底面に凹みの穴があることが多い。
・六角のウイスキーグラスといった形。

・角柱の頭に角錐がついたもの

３．砲弾型組合せ

・よく降って観察数も多い
・砲弾型の頭のとがったところが５個、6個、（もっと少ない数も多い）互いにくっついて花のような形を形成

４．樹枝状平板結晶

・雪印のマークでおなじみの形で、雪の結晶の代表とされてきたもの。美しい六花状の平板結晶である。
・ベントレーやハンスレーの写真集では、ほとんどがこの形の結晶で、雪の結晶とはすべてこの形であるかのような誤解を与えてしまった。
・六角形の図形の頂点それぞれから枝が出て、その枝にさらに小枝が派生したような構造になる。単に六本の枝が出たような単純な構造のものから、たくさんの分枝が生じた複雑なものまでいろいろなものがある。
・羊歯状・（シダ状）：細い声だが数多く出たものをシダ状と呼ぶことがある。水蒸気が多いときにできる。
・枝の幅が広く、扇形のものが６枚で花びらを構成する形のものは水蒸気が多いときに生成される。

５．角板

・六角板の結晶は、その板の内部に不思議な模様ができる。ベントレーの写真集に多い

６．樹枝状角板結晶

・六角板の結晶の過度から樹枝状の枝が出た結晶。
・水蒸気が少ない層で角板結晶ができ、降ってくるまでの間に水蒸気の多い層を通過したとき、枝が生成されたものと推測される。

７．二花・三花・四花の結晶

・六本の枝があるべき結晶の構造から、何本かの枝が取れてしまったかのような、２本、３本、４本の枝の結晶の雪が降る。一見すると単に結晶が壊れてしまったようにも見える。
・六花の結晶の観察中に、中央部の核が２重になっているものを発見し、中央部分をつつくと、２つに分離。2重核の結晶が分離したものであることが判明。

８．変則型

・すべての結晶が美しい対称形をしているわけではない。変則的な構造の結晶も同じくらい多い。
・雪の結晶がすべて六角形となるのは、原子の配列によるが、外形まで、きれいに六角状になるわけではない。外形までがきれいな六角形の対称形になる方が不思議である。
・六本の枝がほとんど同じ構造に発達するのはどうしてであろうか。
・雪の結晶構造は上空の温度、湿度、風の向き（結晶が発達するための水蒸気が結晶に当たる向き）で決まります。

９．立体樹枝形

・多くの雪の結晶は一平面内に発達したものであるが、枝が立体的に発達したものも少なくない。

１０．鼓形

・角柱状の結晶の両端に平板結晶がついた構造。
・平板は樹枝状も多い。

１１．１２花の結晶

・雪は６角形と思っていると、１２本の枝が出た１2花の結晶にも出会う。なんと土井利位の模写にも観察記録がある。
・ベントレーも１２花が６花２つに分離できることを記録している。
・まさに２重角の結晶で、２つの結晶がくっついた状態で成長したものである。１８もある。

中谷は全部で１８に結晶を分類しているが、結合形や組合せ形無定形などであるため、ここでは省略することにします。

雪はできてから、どのくらいの時間で地上に落ちてくるのでしょうか。

2009-10-06T20:31:58Z

雪が落ちてくる速度を調べる

今降っている雪ができてから、どのくらい時間がたたのだろうか

雪は地上何メートルの高さででき始め、地上に降ってくるまで、どのくらいの時間がかかっているのだろうか。比較的簡単に調べることが出来ることは、落ちてくる速度でしょう。

もちろんいろいろな条件があるので、単純に一つの答えを出すことはできませんが、
中谷宇吉郎は、実際の雪の落下速度を、筒の中を通過する時間から、測定して次のように分類しました。

針状：25～70cm/sec
平板・樹枝状：30cm/sec
立体樹枝状：60cm/sec
粉雪：50cm/sec
水滴付き結晶：90～110cm/sec
あられ：120～300cm/sec

５０００ｍから落ちてくるとすれば

雪が5000mの上空から降ってくるとしたら、どのくらいの時間になるか計算してみてはいかがでしょうか。
一番遅い、時間のかかる針状結晶の25cm/secを例に計算してみると、1mで４sec、１０００ｍが４０００sec、５０００ｍだと２０,０００secということになります。２０,０００secといのは３３３分、なんと５時間半もかかることになります。小さな氷晶核から始まって、きれいな雪の結晶が完成して、地上に到達するまでに、長いもので５時間半、短いものでも２時間程度かかっていることになります。ただ、雪が一定の速度で落下してくるものと考えた場合ですが。

数時間という短い時間とはいえ、雪の形には、それそれに何か歴史があるような気さえします。

雪の形の違いは、落ちてくる途中の温度や湿度などで決まる

雪の博士、中谷宇吉郎は、「雪は、天からの手紙」といいました。雪をよく観察すると、天の様子がわかるといったのです。結晶の一つ一つのは、天上の温度、湿度、空気の流れなどさまざまなものが織り込まれて、地上に降ってくる。まさに、天からの手紙なのです。

雪の元：氷晶と氷晶核

2009-10-06T19:32:59Z

雪ができるためには氷晶核が必要

雪の結晶のもとになる小さな氷の結晶、まだ雪と呼べないような大きさの最初の一粒を氷晶核といいます。
この小さなものがないと雪はできないのです。
雪の結晶が大きく発達するために、水蒸気が集まる（凝縮する）きっかけのようなもの、それが氷晶核です。

雪の元とは：どんなものが氷晶核になるのだろうか

上空に舞い上がった塵のようなものが氷晶核の核となります。
雪の結晶の顕微鏡観察による最近の研究では、黄砂や噴火など理由、原因はさまざまですが、上空に舞い上がって浮遊している「土」由来のものが雪の結晶の核となっていることが多いということです。

浮遊塵の数はほぼ無限大

きわめて小さく、顕微鏡で見るサイズで、数はほとんど無尽蔵といえるほどです。何日も降り続く雪の量を考えると、そんなに塵が上空にあるのかと、驚くかも知れませんが、桁外れの量だということです。
そして、上昇気流などによって、日々補給されているため、雪などで、この浮遊塵がなくなってしまうことはありません。

氷晶核は丸い

この塵を核としてできる氷晶核は最初から雪と同じ六角の結晶質と思われていましたが、最近の研究では、小さな丸い氷の粒が核となり、その核に水蒸気が結晶として結合していくものと考えられるようになりました。水蒸気が浮遊塵について、凍るのではなく、一度、水滴の状態で、浮遊塵に凝縮し、その後、凍るという順序になるようです。
中谷博士の初期の研究と最近の研究では、少し見方がかわってきたことになります。

浮遊塵は雪の元になるだけではない：浮遊塵の驚くべき働き

浮遊塵は雪の核となるばかりでなく、その他にも重要な働き（？）があります。
もちろん、この浮遊塵は雪の核になるばかりでなく、雨や雹、雲などの成因にもなっています。
しかし、浮遊塵の驚くべき働きとは、そのことではありません。

雪：結晶　氷：微結晶

2009-10-05T20:54:23Z

雪と氷では何が違うのだろうか

雪は水が氷の結晶になったものである。
結晶というのは原子の配列が規則正しく結合して、その規則的な配列のために、外観までが定まった形になっているものを指します。
水晶やダイヤモンドはそのような結晶構造をもつ物資の典型です。水晶をいろいろな形に削って、丸い玉にしたものなどがあります。ダイヤモンドも原石のままでなく、いろいろな形に削られて売られます。
丸くなった水晶は結晶はないのかという疑問も生じますが、丸くなっても結晶であることには変わりがありません。というのは、規則正しい原子の配列という結晶質が失われたわけではないからです。

微結晶

結晶に似たものに、微結晶というものがあります。微小な結晶がたくさん集まって、一つの塊になっているものです。
小さな一つ一つの結晶は規則的な原子の配列でできているのですが、結晶が大きく成長していないのです。
微小な結晶が集まっているのと、全体が結晶として成長したものでは全体としては、別のものなのです。
微結晶の塊を全体として見ると結晶ではなく、「無定形」ということになります。普通の氷は微結晶の集まりです。

雪の観察者は日本にもいた

2009-10-05T20:21:56Z

土井利位・どいとしつら

下総古河の城主で、大塩平八郎の乱を平定した人物として知られています。
彼が１８３２年に著した雪華図説には８６個の雪の結晶の観察図が描写されて残されています。
そのうち５４枚には観察の年月が記録されている点が特に優れています。
こんな時代の日本人にも、科学的な観察力をもった人がいたのです。

下総古河の城主ですから、雪国でもない人物が、この時代に観察図を書いたことにも驚きを感じます。<./p>

3000枚の雪の結晶：世界を驚かせた写真集

2009-10-04T21:39:11Z

雪の写真家：ベントレーの功績

ベントレーは生涯をかけて、雪の結晶の顕微鏡写真を撮り続けました。
その数、実に６０００枚。
このうちの３０００枚の写真がベントレーの写真集として１９３１年に３０００枚をアメリカの気象学会の援助によってハンフレース博士の集成により出版されました。
当時はまだ雪の結晶写真を撮る技術も知られていない時代であり、雪の結晶の美しさも知られていませんでしたので、衝撃的な写真集でした。多くの雪の研究家が彼の写真集により、刺激と影響を受けました。

それまでにも、何枚かの写真は、印刷物の挿絵として、多くの人の目に触れましたが、１、２枚の雪の結晶写真を見るのと、３０００枚という写真に注ぎ込まれたベントレーの精神や写真の中に描き出された自然の造詣の不思議さはまったく別物であったようで、この写真集が与えた衝撃と感動は、はかり知ることができません。
3000枚の雪の結晶のどれ一つとして同じものはなく、すべてが美しく六角形の花のように輝く結晶写真が当時の人々にどのような感動を与えたか、想像することもできません。

左の写真、下の写真はどちらもベントレーが撮影した雪の結晶です。

そののち、世界で始めて人工的に雪の結晶を作ることに成功し、雪の博士として、
長く雪の研究の第一人者となった中谷宇吉郎もこの写真集に魅せられたひとりでした。
中谷自身が著書の中で、この写真集が雪の研究に進む「きっかけ」だったと告白しています。
まったく無学のベントレーが数多くの科学者の研究心に刺激を与えたということは、とても愉快なことです。この写真集によりベントレーの功績はゆるぎないものとなりました。長い間、研究書や論文に引用された雪の結晶の写真のほとんどが、ベントレーの写真集からの引用や転載であったことも、この写真家の偉業を裏付けるものです。
このサイトには、ベントレーの写真集から許可を得て、掲載しているものが数多くあります。

雪の写真に足りなかったもの：ベントレーの限界

ベントレーが雪の写真をとり続けたのは、科学的な研究のためではありませんでした。
彼自身が雪の結晶の美しさに魅せられ、自分の興味から写真を撮り続けたのです。
彼の写真の目的は、美しさを記録に残したいという思い、そして撮影した写真を販売することでした。
そのため、撮影した写真以外には雪の結晶の情報を何も残すことをしませんでした。

撮影の日時
気温など気象条件
写真の倍率など撮影条件
降雪地・撮影地など地域情報

残念ながら、これらの情報がまったくありません。

雪の写真が与えた誤解

さらに、彼は美しい写真を追いかけたために、決まった形の、きれいな平面的な結晶のみを撮影し、美しさに欠けるもの、いびつなものや形の悪いものは写真に残っていません。
そのため、多くの人が雪の結晶は、すべて同じような形の花のような六角形なのだと思い込ませてしまった点です。
雪の結晶の中には、ちょうど六角形の鉛筆を短く切ったようなタイプのものや、その先端を削ったろうな形のもの、六角形の軸に穴が彫られたコップ状のもの、六角形の鉛筆状の両端に六角形の板をつけたちょうど鼓（太鼓のつづみ）形のものなど、美しさでは劣るものの、いろいろな形のものが存在します。
ベントレーの写真はその中のきれいな特定の形のものに六角形の花の形のものに集中している点です。
もし、撮影の情報や自然に降ってくるすべての形の雪の結晶を、美しいものも、美しくないものも、形のよいものも、形の悪いものも、同じように写真に残していたら、そして、それを「いつ」、「どこで」、「どんな気象条件で」、「どのような撮影条件で」撮影したかを記録していたなら、科学的な価値はどれほど大きくなったか想像できません。

ベントレーの限界は、彼が科学者ではなかったという事実です。

ベントレーの写真の限界は、ベントレーの限界ではなく、人間の本質的な限界でもあります。他の多くの人も、雪の結晶の写真を撮影したとして、おそらく同じことをやったに違いないと思われるのです。
汚い結晶、一見壊れたように見える結晶の写真は取らないで、おそらくきれいなものを記録に残したのではないだろうかと創造できます。フィルムが高額だった時代にはなおさらのこと。

科学者の目というのは、教えられ、養われて始めて芽生えるのかもしれません。

どんなに欠点を指摘されようと、雪の研究をした人たちのすべてが美しさに感動して手にとって眺めたベントレーの写真集が彼の残した金字塔であること異論を唱える人はいないでしょう。

雪は氷やあられ、雹ひょうとどのように違うのでしょうか

2009-08-20T20:26:38Z

雪は単に水が凍ったものではない

雪は氷の結晶です。
筆者は、昔、学生時代に卒業論文で、ある物質のX線による結晶構造解析をしました。
問題は、自分で単結晶を造らなければいけないのですが、その物質自体が世の中にたった４ｇしか現存しないものでした。
何度やっても結晶ができないのです。
最後の最後、すべて使い切って、これで結晶ができなければ、もう終わり。卒論のテーマを一から考え直さなければならいというとき、溶液の中に、「キラリ」と光る結晶を見つけました。
そのうれしさは格別でした。
結晶になりやすい物質となりにくい物質もありますが、結晶にはその核になるものが必要で、うまく条件がそろわなければ、結晶にはなりません。雪の結晶が成長していくための最初の部分を氷晶核といいます。

雪の元になる氷晶核

雪の結晶の中心部分をを電子顕微鏡や電子回折像で調べると、氷晶核の種類を調べることができます。
氷晶核はカオリン鉱物Al2Si2O5(OH)4が多いことがわかりました。カオリン鉱物とは土壌・粘土質のものです。土が空高く舞い上がって、浮遊していることになります。
無限に降り続くように見える雪が、土の微小な粒を核としているとは驚きです。
2000m、3000mの上空に土が舞い上がっていること。
そして、あれぼど降る雪に含まれるほど多いこと

中国の黄砂が上空に舞い上がって、偏西風にのり、地球を一周するほど、遠くまで運ばれていくことはよく知られています。また、火山の爆発でも、数千メートルの高さまで噴煙が上がることが目撃されます。いろいろなことで、土壌を構成する物質は上空に舞い上がっていきます。大きなものは時間とともに地上に落ちてきますが、チリのような微細なものは浮遊し、いつまでも上空を漂うことになります。浮遊塵と呼ばれるものです。

雪はそのような核を中心に結晶化した水です。雹やあられは、結晶ではなく、「無定形」の氷にすぎません。

雪はどのようにしてできるか

2009-08-19T19:39:55Z

雪ができる過程

水の状態の変化で、よく知られているは、固体・液体・気体の変化です。

水が蒸発して気体（水蒸気）になる、気体が冷却されて液体（水）になる変化

水がさらに冷却されて固体（氷）になる、固体が暖められて液体になる変化

上の写真は1900年ごろ、アメリカのベントレーが生涯をかけて撮影した雪の結晶の写真集から引用したものです。

水蒸気が直接凍るときに雪ができる

初期の雪の研究では、水蒸気が冷えて水滴になり、水滴が凍って氷の塊となるのでは、雪にならずに霰あられや雹ひょうになると考えられていました。もちろん、上空で凍ったとしても、地上に落ちてくる頃には雨になっていることがあります。
上空は温度が低いのですが、気圧も低く、０度で凍るようなことはありません。マイナス２０度程度が氷になる温度といわれています。
雪は水蒸気が水にならずに、水蒸気のまま凍ってしまうときにできると考えられていました。
中谷宇吉郎が世界で始めて人工雪を作ったときにも、水蒸気を直接凍らせるというところで苦心したようです。一度、水になってから凍ると雪にならなかったからです。

実験室と上空の出来事の違い

現在は中谷の時代とは、研究設備も違います。上空の測定技術も大きく発展しました。その結果現在では、上空では水蒸気が一度水滴になり、その後凍って、雪の核ができるらしいと考えられるようになってきました。

最近の研究では、水蒸気はいったん水滴になり、水滴が凍って丸い氷の核ができ、この核が徐々に成長して、六角形の結晶構造の雪へと発展・成長していくのだと考えられるようになってきました。

「雪」という不思議なもの

2009-08-16T20:15:13Z

雪とはいったいなんですか

南国の人にとって雪は珍しいものです。そしてうれしいものです。
宮崎県に10年ほど住みましたが、その間、雪というものにほとんどお目にかかったことはありませんでした。

引っ越した年の冬のある日、休みの日でした。１年生の息子の同級生の母親が、外で大声を上げて叫んでいます。何事かと外を見ると、「雪だ！雪だ！」と叫びながら、空を見上げたまま、何粒の雪が落ちてくるのか、本当にわずかな数の雪の粒を追いかけ、走り回っています。
うれしそう。楽しそう。
まるで、幼稚園生か、小学生のようでした。
確か、雪が降った日、小学校では授業をやめて、雪遊びになったように記憶しています。南国の人にとって、雪は特別なものです。

雪と雹・あられ・氷

霰・あられとは違います。雹・ひょうとも違います。いわゆる氷とも違います。

雪のように見えるものの代表的なものは、カキ氷ではないでしょうか。氷を削ると、まるで綿のようなふわふわとした氷がお皿の上に溜まっていきます。まさに雪が積もるのと同じように見えます。あのカキ氷は、雪ではないのでしょうか？

残念ながら、あの雪のように見えるカキ氷は雪ではありません。単に氷を削ったものなのです。雪と氷を削ったものは別のものなのです。

雪は結晶：結晶と結晶でないもの

炭素は地球上にいろいろな形で存在しています。多くは純度が低いものですが、純度の高いものもあります。石炭は炭素です。純度の高いものにはカーボングラファイトなど、工業的に造られたものもあります。炭素が結晶になると、「ダイアモンド」となります。
結晶でないものは、活性炭やグラファイトになります。

まず、第一に雪は単なる氷ではありません。

水が凍ったものを細かく砕いても、それは雪ではないのです。夏の暑い日に食べるかき氷を削っているところは、まさに雪が降っているように見えます。
人工的に氷を作ることは、温度を低くする技術があれば、可能です。
しかし、できるのは氷で、雪ではありません。

雪とは、水が結晶の形で凍ったもの・固体になったものを指します。
結晶だから、きれいな六角形の形になるのです。

ひょうやあられは、結晶ではなく、無定形の固体になったもの・氷なのです。

雪を詠む：斉藤茂吉

2009-06-20T12:16:13Z

しんしんと雪ふりし夜に汝が指のあな冷たよと言ひて寄りしか
ドウナウの流れの寒さ一めんに雪を浮べて流るるそのおと
やまかひの泉に雪の降りみだるを吾は見にけり幾年ぶりか
この雪の消ゆかむがごと現身（うつそみ）のわれのくやしき命か果てむ
雪ふりし山のはだへはゆふぐれの光となりてむらさきに見ゆ