氷からトゲがシャキーン！氷のスパイク化現象の原理と作り方

　氷の上からニョキーンとトゲのようなものが伸びることがある。このトゲは必ず60度の角度で形成されるということをご存知だろうか？そもそもなぜ、このようなトゲができるのか？その謎について、科学を題材としたVeritasium が動画で解説している。 Ice Spikes Explained

　冷凍庫で氷を作って取り出した時に、氷に角が生えているのを見たことはあるかい？なぜこのような角ができたのか？氷の魔人が触手を伸ばしているわけではない。

　その理由はこうだ。

　まず、水を冷凍庫に入れると、冷気が直接あたる表面で蒸発冷却が起こり、表面から凍っていく。水が凍って固体となると、その体積は約8％膨張する。（この原理は、液体の時は分子が隙間に入り込み、平均3から4本だった水分子が、固体の氷になると4本の水素結合で規則正しく並び隙間がうまれるためである。）

　外側から氷という固体になっていくと、液体のままの水は中へ中へと追い込められていく。そして行き場がなくなると、固体である氷の一点を突き破り、上へと逃げ場を求めるのだ。氷の結晶は60度の角度で形成されるため、この時にできる氷の穴は通常、三角形をしている。そして穴から出た水が上へいくと同時にその表面から凍っていく。水はさらに逃げ場を求め、全て凍って固体となるまで、上へ上へと突き出るのだ。 　この氷のトゲは一般的な冷凍庫で作ることができる。その際に重要になるのが次の3点だ。　この条件を上手く満たすと、とても大きな氷の突起物さえ作ることができる。水盤などにできる「氷の花瓶」がよい例だ。 　このような現象を見ると、興味深い事実がみえてくる。そもそも、このような突起物は水の異常性の一つ「固体になると体積が増える（密度が低くなる）」という性質によるものだ。もし、水にこのような性質がなければ、この地球は全く違う姿になっていただろう。

もし氷の密度が水より高かったら地球はどうなる？

　氷というのは水と比べ密度が低いため、水の上に浮かぶことができる。そして、太陽光を通すことで、氷の下の水は液体の状態を保つことができ、生物たちが生息できる環境となっている。

　しかし、仮に氷が水より密度が高かったと想定すると、氷は水中に沈むこととなる。表面にさらされた水は凍り、氷となり沈み、新たに表面にさらされた水が氷となり沈む、それが繰り返されるのだ。その結果、底面から氷が積み重なり、水中で暮らす生き物たちは、徐々にその場を奪われていくこととなってしまうだろう。

　最終的には、全ての水が凍り、氷になってしまう。生物の暮らせる環境ではなくなってしまうのだ。地球は真っ白に染まり、太陽光を反射し熱を蓄えないため、冷たくなる一方だ。 　つまり、水が凍った時に膨張しなければ、地球は極寒の地となり、生物の姿が消えた雪玉となってしまうのだ。

　また、最初の環境次第では逆の可能性も起こりえる。もし氷が水より密度が高く、水中に沈んだとしても、そもそも地球上に少しの氷しかない状態だとしたら、水はより多くの太陽光を吸収し、地球の温度は上がる。どちらにせよ、氷が沈むと地球は極寒になるか、極暑となり生物の生きる余地はなくなる。

　氷が水よりも密度が低いおかげで、我々生物は生きていられるってわけなんだね。この特性がなかったら、氷のトゲも作る事ができないしね。てことで、夏休みの理科実験は、氷のトゲとかどうだろう？

動画翻訳：melondeau

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