冬の朝、道ばたの水たまりに、ガラスみたいな薄い氷。公園の池をのぞくと、こちらも岸の近くにうっすら氷が張っています。オチュンは、しゃがんで水面をじっと見つめました。
オチュンそのヒントは、台所にあるコップと、温度計の4℃にあります。
コップの氷は、どこにいる？
冷たい飲みものに氷を入れると、氷は水面にぷかぷか。水面の上に少し顔を出して、下にはまだ飲みものがあります。氷は、同じ大きさの液体の水より軽いからです。
オチュン池や湖では、氷ができる前から、水の居場所が温度によって変わります。そこで、コップを3つ並べてみましょう。
0℃・4℃・10℃、同じ量ならどれが重い？
同じ大きさのコップに、0℃、4℃、10℃の真水を、どれも同じ高さまで入れたと想像してください。0℃のコップにも、液体の水だけが入っているとします。水だけを量ったら、どれがいちばん重いでしょう？
答えは、真ん中の4℃の水。同じ体積の中にどれだけの重さがあるかを表すのが、密度（みつど）です。真水の密度は、ふつうの気圧のもとでは約4℃でいちばん大きくなります。台所のはかりでは見分けにくいほどの小さな差ですが、湖ではこの差が水の動き方を変えます。
10℃の水を4℃くらいまで冷やすと、水は少し縮みます。ところが、4℃くらいから0℃に向かって冷やすと、今度は液体のまま少し膨らみ、密度が小さくなります。 約4℃が、水の変化の折り返し地点です。
秋は沈み、冬は上に残る
秋から冬にかけて、湖は空気に接する水面から熱を失います。水面がまだ4℃より暖かい間は、水が冷えると密度が大きくなります。下の水より密度が大きくなった水は沈み、下の水と混ざります。冷え込みが続くと、水面から深いところまで水温が近づいていきます。
水面の水が約4℃を下回ると、冷えるほど密度は小さくなります。下の約4℃の水より密度が小さいので、水面付近にとどまりやすくなります。そこからさらに熱が逃げると、水面で氷ができ始めます。
図3の右のように、湖面が凍っても、深い湖では氷の下に水が残ります。水に溶けた酸素が十分にあれば、魚は凍りつかず、湖底近くで冬を越せます。
オチュン北海道の摩周湖では、氷のすぐ下がほぼ0℃の時期でも、水深約212メートルの湖底は約4℃です。湖底の水温は湖ごとに違いますが、摩周湖は、冬に冷たい水が上に重なる様子を実際に観測できる例です。
最低気温が氷点下なら、翌朝は凍る？
天気予報で「明日の最低気温はマイナス1℃」と聞くと、池にも氷が張りそうな気がします。でも、予報の気温は空気の温度。昼の間に水が暖まっていたり、寒い時間が短かったりすると、水面の水は凍るところまで冷えないことがあります。氷ができるには、水が凍るときに出る熱も逃げていく必要があります。
道ばたの浅い水たまりと、たくさんの水をたたえた湖。同じ寒い朝でも、冷え方は違います。湖の深さや、前の日までに水がためた熱、風で水がどのくらい混ざるかも、凍り方に関わります。散歩で池を見かけたら、「今朝は何度だったかな」に加えて、「昨日の昼も寒かったかな」と思い出してみてください。
諏訪湖の氷は、昔の冬も教えてくれる
長野県の諏訪湖では、湖面が全面的に凍ったあと、氷の一部が筋のようにせり上がる御神渡り（おみわたり）が見られることがあります。諏訪湖の記録を調べた研究では、湖が凍る前日の日中も気温が低く、当日の朝も冷え込むことが、結氷（けっぴょう）に関わると示唆されています。
諏訪湖では、いつ湖が凍ったかが昔から記録されてきました。その日付は、気象観測が始まる前の冬の寒さを知る手がかりにもなります。コップの氷から始まった疑問が、昔の冬の天気にまでつながっているんですね。
オチュンの確認クイズ
これだと思う選択肢を押してみよう。正誤と解説が開くよ！
第1問 同じ体積でいちばん重い水は？
A．0℃の水
× もう一度！ 0℃の水は、同じ体積の約4℃の水より少し軽くなります。
B．約4℃の水
○ 正解！ 真水は約4℃で密度が最大になります。同じ体積なら、このときがいちばん重くなります。
C．10℃の水
× もう一度！ 10℃の水は、同じ体積の約4℃の水より少し軽くなります。
第2問 湖の水面が1℃、その下が約4℃。1℃の水はどこに残りやすい？
A．水面付近
○ 正解！ 1℃の水は約4℃の水より密度が小さいので、風などで強く混ざらなければ上に残りやすくなります。
B．湖の底
× もう一度！ 1℃の水は約4℃の水より密度が小さいので、湖の底へは沈みにくいです。
C．約4℃の水と同じ深さ
× もう一度！ 風などで強く混ざらなければ、密度の小さい1℃の水は約4℃の水より上に残りやすくなります。
第3問 明日の最低気温は−1℃。池には必ず氷が張る？
A．必ず張る
× もう一度！ 予報の−1℃は空気の温度です。水面が凍る温度まで下がらないこともあります。
B．絶対に張らない
× もう一度！ 水面が十分に冷えれば、氷が張ることもあります。
C．水の冷え方による
○ 正解！ 予報の最低気温だけでは決まりません。水が前の日までにためた熱や、寒さが続く時間も関係します。
出典と参考資料
- 米国地質調査所（USGS）「Water Density」：水温と密度の関係、氷が浮く理由。
- 国立環境研究所「摩周湖の湖底へ」：摩周湖で観測された水温と、季節ごとの水の混ざり方。
- 国土交通省「河川砂防技術基準 調査編 第13章第2節 湖沼・ダム貯水池の物理環境調査」：湖沼の熱の出入り、水温と密度、水の混ざり方。
- 米国五大湖地域の気候研究機関（GLISA）「Lake Ice Overview」：湖の深さや蓄えた熱、風などと結氷の関係。
- イリノイ大学「Ice Forms On The Surface」：湖面に氷ができる仕組みと、凍るときに出る熱。
- 三上岳彦ほか「諏訪湖の結氷・御神渡り発生と気象条件の関係」：諏訪湖の結氷記録と、前日の日中や当日朝の気温との関係。
- 米国ウィスコンシン州天然資源局「Managing Wisconsin Fishponds」：氷の下で魚が冬を越すために必要な、水に溶けた酸素について。
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