なぜ氷は通常透明ではなく曇って凍るのか

重要なポイント

北半球では事態がさら​​に寒くなってきました。再び秋が到来し、2018 年 12 月 21 日にはここに冬が戻ります。これらの季節には課題が伴います。たとえば、車の所有者を冷静にさせる確実な言葉があるとすれば、それは「ブラックアイス」です。米国立気象局はこれを「道路やその他の交通機関の表面に見られにくい斑状の氷」としている。

人間の目には、それはほとんど見えません。ブラックアイスは実際には黒いわけではありません。透明です。この物質が黒く見えるのは、漆黒の舗装の層を覆っているときだけです。ドライバーが危険に気付かずに氷上で車を操縦し、トラクションを失ってしまいます。

他の種類の氷も見やすくなります。自家製氷は通常、白っぽい綿菓子の塊のように、真ん中が曇っていて不透明であることに気づいたでしょう。それはブラックアイスの恐ろしい透明さとは対照的です。黒い氷は透けて見えるのに、一般的な製氷皿の立方体は透けないのはなぜでしょうか?

透明感を感じる

液体の水は透明に見えます。それは、素材が透過するものを吸収しないためです。しかし、水には欺瞞的な性質があります。どんなに新鮮に見えても、100% 純粋ということはありません。 H2O のサンプルには、浮遊した沈殿物、粉塵粒子、またはカルシウムや石灰などの鉱物の破片とともに、浮遊する有機物 (藻類、植物の残骸など) が含まれている場合があります。また、酸素などの溶存ガスが大量に存在することもあります。 （酸素がなければ、魚は生きられないでしょう。） ガスと物理的不純物は、レモネードピッチャーの中の氷がなぜあんなに曇っているのかを理解する鍵となります。

水が凍るとき、内部の破片や気泡が集中する可能性があることを確認してください。クラスターは光を妨げ、可視光スペクトル上のすべての異なる色の周波数を引き起こします。そうすると氷が白く濁って見えます。しかし、それは常に起こるわけではありません。

水の上を歩く

2014 年、YouTuber のトーマス ヌヌクと旅行仲間が、スロバキアの山中にある深い淡水湖、ヴェルケ ヒンコヴォ プレソを歩いていました。彼のビデオは、信じられないほど透明な氷の上に二人の男が立っている様子を映しているため、急速に広まりました。その下の湖底の岩は、凍った水を通して自然のままに見ることができます。ヌヌクさんのビデオの氷は非常に透明だったので、一部の YouTube 視聴者はその映像が捏造されたのではないかと考えた。しかし、ヴェルケ ヒンコヴォ プレソは非常に現実的で、湖が凍ると (よくあることですが) 表面の氷が透き通ることがあります。

この程度の透明度を得るには、氷床に気泡と破片の両方がほぼ完全に存在しない必要があります。それもあります。氷は結晶で構成されています。H2O が急速に凍ると、それらの結晶は小さくて多数になる傾向があります。結晶には反射面があるため、氷がより白く見えます。したがって、結晶の数が増えると、より多くの反射が発生し、入ってくる光が散乱するのに役立ちます。一方、ゆっくりと凍った氷は から作られます。そしてそれらは透明性を促進します。

要約すると、氷が透明で透明になるのは、ゆっくりと凍り、不純物や結晶が多すぎない場合に限られます。今や有名になった Tomas Nunuk の YouTube ビデオは、これらすべての条件が満たされた場合にどのようになるかを示すケーススタディです。スロバキアトレッキングの日、ヴェルケ・ヒンコヴォ・プレソさんの上には厚さ約2センチ（0.78インチ）の氷の毛布が敷かれていた。湖や湖に破片が吹き込まれる可能性のある強風がない穏やかな時期に、水は徐々に凍ったに違いない。

ブラックアイスとトレイトラブル

道路のブラックアイスでも同様のことが起こっています。これらすべてが同じ発生源から来ているわけではありませんが（最初は霧、もや、霧雨、または溶けた雪として発生する可能性があります）、風の弱い時間帯には常にゆっくりと凍結し、一貫して薄く、不純物はほとんど含まれません。黒い氷が非常に透明で、運転者をイライラさせるのはそのためです。

しかし、高速道路の煩わしさにもかかわらず、自然界では透明な氷は白く濁った氷ほど一般的ではありません。特定の氷の塊が透明でない場合には、さまざまな理由が考えられます。一部の氷は で構成されており、その角張った形状と不規則な結晶が光を散乱させます。また、場合によっては、水が急激に凍って、より小さな結晶を含む氷が生成されることもあります。

人工氷には同じ物理法則が適用されます。ほとんどの家庭用製氷皿は、小さな水の塊を外側から内側に凍らせるように設計されています。そうすることで、各立方体の水の中に不純物が混入するという副作用があります。したがって、完成した製品は中央が白く曇ったように見えます。より透明で魅力的な立方体を作るために、一部のレストランでは水を凍らせる高価な機械を片側からのみ使用しています。そうすることで不純物が外へ逃げていきます。

幸いなことに、透明な氷を作る安価な方法はたくさんあります。よく知られているトリックの 1 つは、水を事前に沸騰させて、凍結プロセスが始まる前に溶存ガスを除去することです。