ダイヤモンドダストの生成実験

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(1)Title. ダイヤモンドダストの生成実験. Author(s). 油川, 英明; 碓氷, 英之; 齋藤, 亜樹. Citation. 北海道教育大学紀要. 自然科学編, 51(1): 31-43. Issue Date. 2000-09. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/544. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) . １巻北海道教育大学紀要（自然科学編）第５. 平成１２年９月. 第１号. ）ＶｏｌＩＳｃｉｉｌｏｆ日０ｌｄにａｉｉｄ。Ｕｎｉｔｙ。ｆＥｄｕｃａｔＪｏｕｒｎａｏｎ（Ｎａｔ世ａｅｎｃｅｓｖｅｒｓ，Ｎｏ，５１．１. Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２０００. ダイヤモンドダストの生成実験. 油川. 英明・碓氷. 英之・斎藤. 亜樹. 北海道教育大学岩見沢校物理学研究室. ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎｔｈｅＦｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＤｉａｍｏｎｄＤｕｓｔＨｉｄＳ紅ＴＯｄｅａｋ７ＲＡＫＡＷＡ，Ｈｉｄｅ四鮫ＵＳＵ１ａｎｄＵｉＡＢじ. Ｐｈｙｓｉｉｉｄ。ＵｄｉｉｔｙｏｆＥｄｕｃａｔｏｎｃｓＬａｂｏｒａｔｏｖｅｒｓ１γ，工ｗａｍｉｚａｗａＣａｍｐｕｓ，Ｈｏ履くａ. Ａｂｓ諸ａｃｔ. ｔｉＤ！”ｍｏ〃〆〆“ｓｒｉｓｔｈｅｔｈｉｎｇｏｆｔｈｅｉｃｅｆｏｇ，ａｎｄｉｓａｇａｔｈｅ口ｎｇｏｆｃｓｗｈｉｃｈｏｒｄｌｏａｎｌｙｌｙｓｔａｌｎａｍｅｄｔｈｅｏｎｅ. ｍ. ｌｅｄｔｈｅｉｃｅｃｉａｌｓｔａｇｅｏｆｔｈｅｓｎｏｗｃｔｍｅａｎｉｎｄｔｌｙｓｔａｌ１γｓｔａｌ．Ａｔｔｈｉｓｔ，ｔｈｅ，ｓｏ‐ｃａｌ. ｒｌｆｌｙｆｏｒｍｅｄｗａｓｄｏｎｅｗｉｉｎｇｂｏｘ．ｉｉｃｉａｌｔｈａｆｒｅｅｚｅｘｐｅｄロロｅｎｔｂｙｗｈｉｃｈｔｅｙｗｅｒｅａｒｔ. Ｔｈｏｕｇｈｄｉａ－. ｉｏｄ；垣ａｉｒｗｈｉｃｈｃｏｎ－ｍｏｎｄｄｕｓｔｉｓａｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｎｎａｔ・ｐｒｅｏｆｔｅｎｓｅｅｎａｔｔｈｅｓｅｖｅｒｅＷｉｎｔｅｒｐｅｒｌｙｈｉｖｅｔａｍｅｄａｌｏｔｏｆａｍｏｍｎｔｓｏｆｍｏｉｓｔｉｇｈＬｕｒｅ１γｓｔａｌｗａｓａｂｌｅｔｏｂｅｆｏｒｍｅｄｉｎａｃｏｍｐａｒａｔ，ｔｈｉｓｃｈｑｎｇｔｏｍａｄｅｉｎｓｅｒｉｉｔｅｍｐｅｒａｔｍｒｅ．Ｎ［ｏｒｅｏｖｅｒｔｉｎｔｏｔｈｅａｉｇｈｈｕｌｎｉｄｉｔｙｗａｓｆｏｗｌｄｏｌ低ｙｈａｖｉｒｒｏｆｈ，ｔｅａ. ｉｎｇｐｏｉｍｔｗｈｉｃｈｃｏｎｔａｍｅｄａｌｏｔｏｆｍｏｉｓｔｌｕｒｅｔｏ・ｆｏｒｍｃｆｓｅｅ山にｏｇｒｅｅｚｍａｓｓｕｌ・ｄｅｒｔｈｅｆ１γｓｔａｌｓｅｖｅｎｉｉａｌｎｕｃｌｅｕｓｗａｓｎｏｔｄｏｎｅｏｆａｓｐｅｃ．. Ｆｒｏｍｓｕｃｈａｒｅｓｌ瓜ｔｉｏｎｏｆｄｉａｍｏｎｄｄｕｓｔｗａｓｉｎｌａｇ‐ ，ｔｈｅｆｏｒｍａｔ. ｌｏｗｓｉｎｅｄａｓｆｏｌｒｌｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｖａｐｏｒｕｒ・ｄｅｒ．Ｔｈｅｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄｗａｔｅｒ山ごｏｐｌｅｔｃａｕｓｅｄｂｙｔｌｙｋｅｅｐｔｈｅｌｆｆｉｎｇｐｏｉｍｔｃａｎｕｓｕａｌｉｃｕｌｉｑｌ唖ｄｔｈｅｆｔｒｅｅｚ，ｂｕｔｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｓｕｐｅｒｃｏｏｌｍｇｂｅｃｏｍｅｓｄｉｉｏｎｓｐｅｅｄｉｓｔｏｏｒａｐｉｄ，ａｎｄｆｌｂｅｇｍ．Ａｎｄｔｏｋｅｅｐｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｄｅｎｓａｔｔｎｏｔｏ副ｙｉｓｆｒｏ‐ ｒｅｅｚｍｇ駈１，ｉｌｅｆｏｒｍｉｎｇｔｈｅｉｃｅｃｚｅｎｔｏｓｐｈｅｒｏｉｄａｌｂｕｔａｌｓｏｆｒｅｅｚｅｓｗｈｉｅｅｏｆｔｈｅ１γｓｔａｌａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｇｒｉｎｇｗｈｅｎｔｈｅ山ごｏｐｌｅｔｆｒｅｅｚｅｓｏｃｃａｓｉｏｎａｌｌｙ．ｓｕｐｅｒｃｏｏｌ. ｌビＴｈｅｒｅｉｓａｐｏｓｓｉｂｉｉｔｙｔｈａｔｄ１ｏｐｌｅｔｓｏｆｗａｔｅｒ. １五ｔｉｋｅｔｈｉｓｂｅｃｏｍｅｄｉａｍｏｎｄｄｕｓｔｉｏｎ，ａｆｔｅｒｄａｍｐｅｄａｉｗｈｉｃｈｆｒｅｅｚｅｌｒｍａｓｓｉｓｉｎｓｅｒｔ無ｔｏｔｈｅ．ｌｎａｄ. … ゴロ１ｂｅｆｏｒｍｅｄｉｇｈｈｕｌｍｄｉｔｙ，ｉｃｅｃｒｏｆｈａｉ１γｓｔａｌｓＷＴｍｓｓｕｇｇｅｓｔｓｎｅｅｄ日ｍｇ. 無. ｔｔｍｌｅｏｆｏ副ｙｓｅｖｅｒａｌｓｅｃｏｎｄｓ．ｅｘｔｒｅｍｅｌｙｓｈｏｒ. ｌｉｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｓｎｏｗｃｔｔａｌｅｅｘａｍｍａｔｌｙｓｔａｌｗｈｉｃｈ. ｈａｓｂｅｅｎｓａｉｄｓｏｆａｒｔｉｓｓａｉｄｔｈａｔｔｈｅｓｎｏｗｃｌｂｅｆｏｒｍｅｄＷｉｔｈｖａｐｏｒ１ｙ，ｉＩｙｓｔａｌｗｎ．ｌｎａｐａｓｔｔｈｅｏ. ｂｙｔｈｅｓｕｂ輸出ａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｔ中ｅｏｆｏｎｅｈｏｔＩｒｏｒｓｏｈａｓｂｅｅｎｎｅｅｄｅｄｔｈｅｉｃｅｃｌｙｓｔａｌ．. （３１）. ｉｏｎｏｆｅｖｅｎａｓｆｏｒｔｈｅｆｏｒｍａｔ.

(3) . 油川. ３２. 英明・碓氷英之・斎藤. １. 亜樹. はじめに. ダイヤモンドダスト，即ち氷晶の集まりである氷霧は天然において極寒の気象条件下に見られ，サンピラーやハローなどの特殊な現象を生じさせるものであることが知られている．氷晶は，雪の初期結晶であるということから，雪結晶の生成実験や人工降雨，降雪実験の分野などにおいてなり以前から調査・研究がなされてきている．. 人工雪の実験においては，兎毛や繊維にいくつかの氷晶が形成された後，そのまわりの温度と湿度の条件に応じてそれぞれの結晶形に成長していく．これまでの人工雪の実験では，氷晶を生成させるために少し工）によれば氷晶をつくるときには人工雪作製装置の水槽に比較的温度の低夫がなされている．即ち，中谷１，い水を入れ，除々に温度を上げていくようにしている．このときの時間は１時間以上も要する場合がある．そして，兎毛に氷晶の生成が確認された後にそれぞれの結晶生成の条件下に移行させるというわけである．）は拡散型の人工雪装置で氷晶の生成まではかなり高い過飽和の湿度状態に保つか，あるいは低また，小林２過飽和度では相当に長い時間をかけてその生成を待つとしている．このように，人工雪の作製装置で氷晶を生成させることは余り簡単なことではなく，特にその生成過程については未解明の問題が存在している．人工的に多量の氷晶を作製するには，過飽和ないしは過冷却微水滴を多く含んだ氷点下の空気塊に対して，）などを用いてその空気）液体プロパン５）あるいはドライアイスや液体空気４ヨウ化銀などを散布したり３，，. 塊を極端に冷却するなどして行われる．ヨウ化銀などによる場合は人工的に核物質を供給することであり，またドライアイスなどの場合は，極めて低い温度での自発核生成による氷晶の形成であるとされている．さらに，人工的に氷晶を生成させる簡便な方法として，水分を十分に含んだ低温度の空気塊のなかで，梱）この方法による氷晶包用の材料などに利用されている合成樹脂材の空気泡を破裂させて行うものがある６．の生成は，空気泡が破裂して瞬時に広がることから，空気の断熱膨張によるものではないかとも考えられており，原理的にはドライアイスなどによる現象と同じことであると見なされている．しかし，このような現象が微小な空気塊の断熱膨張による降温効果によるものであるとするには幾つかの疑問が想起されることから，今回，あらためて空気塊による人工氷晶の生成実験を試みたわけである．本実験は，主にはダイヤモンドダストの生成する温度や空気塊の条件について調べ，その結果などから氷晶の生成機構についても考察を行った．これらのことから，空気泡による氷晶の生成は単に空気泡の断熱膨張によるものではないことがうかがわれ，このような現象は雪の生成にも直接的に関わりがあるように推察された．. ２．実験の方法ダイヤモンドダストの生成実験は，市販の低温槽を用いて常温の実験室において行われた．装置の概略をｏ図１に示す．この低温糟は，常温において通電とともに約４０分ほどでその庫内は規格の－２０Ｃまで冷却さｏＣまで降下したこれがこの低温槽の最低温度であった冷却の強度はれ，さらに５０分ほど経過して－２６．．. ３段階の切り替えができるようになっているので，実験温度に応じて各段階の設定を行うことができる．また，この庫内の温度分布を測定した結果，比較的低い温度では上方と下方の温度差が約１℃程度で，ほぼ一様な温度状態を示していた．実験における庫内の温度測定は二組の熱電対により行われた．即ち，図１のＡは，庫内の底から２０ｃｍほどの高さに固定してダイヤモンドダストが生成する箇所の温度を，またＢは庫内の底に置かれる水皿の水温を計測するための熱電対の感部である．これらの温度は低温槽の近くに用意された記録計により各温度が連（３２）.

(4) . . ３３. ダイヤモンドダストの生成実験. 続記録されるようになっている．また，ダイヤモンドダストの生成過程は，低温槽の透明な上ぶた越しにビデオカメラを用いて撮影された．そのための光源として，今回の実験では実体顕微鏡用の光源装置である光ファイバー式光源を用いた．これは，光量が大きくまた照明の方向を自在に変えることができるので，このような空間の照明には適しているものであった．そして，ダイヤモンドダストの発生状況を的確に撮影できるように，庫内の４壁面と底を黒色のビニールシートで被い，ビデオカメラの撮影方向とは直交した横方向から庫内の照明を行った．このことにより，暗視野のなかに光り輝くダイヤモンドダストを捉えることができる．光ファイバー式光源. 」. 上ふた. 零接点＊＊. ＊. 熱電対温度記録計. ＊＊＊＊＊７７. ＊＊＊＊＊. ↑↑. 氷晶. 図１. ４５ｃｍ）. ▼. （奥行１４. ７７ｃｍ. ＊＊＊＊＊. ，. ７４ｃｍ. ダイヤモンドダストを作製する実験装置. 以上のような装置により，実験は次の手順で行われた．まず，低温槽の庫内を冷却し，実験温度に達したならば，径が２０ｃｍほどの水皿に所定の温度の水（水道水）を注入して，その中に熱電対Ｂを差し込み，それらを低温槽の底に固定する．光源を点灯し，ビデオカメラの撮影開始のスイッチを入れ，水皿を庫内に入れてからおよそ１分ほど時間が経過したのち，低温槽の上ぶたを少し開き，梱包材の空気泡，あるいは２～３ｃｍの径に膨らんだたゴム風船の空気泡を指で破裂させる．このとき，空気泡はできるだけ強く破裂させることが肝要であった．そして，低温槽の上ぶたをすばやく閉じた後すこしして，暗視野の庫内にキラキラ光りながら舞い散るダイヤモンドダスト，即ち氷晶の群が見出される．ダイヤモンドダストの生成量は時間とともに多くなっていき’ 数十秒を経過したあたりが二為消滅する．図２は，このようにして生成されたダイヤモンドダ. . せる前に，あらかじめ庫内の適当な高さの位置（上ぶたに近い箇所）にガラス板を水平に固定しておき，他. 方，透明な低温槽の上ぶた部分に顕微鏡を設置して焦（３３）. 「 ′. 図２. 一. ノ. ー. Ｑ. ダイヤモンドダストの例. ′. ，。。皿 ‐.

(5) . ３４. ・ー油川. 英明・碓氷央・ぇ英之・斎藤央・，，ト. 亜樹. 点をそのガラス板に合わせておく．はじめに，ガラス板を適当なカバーで覆っておき，ダイヤモンドダストが発生した後にカバーを取り外して，氷晶を観察する．これは，実験前の段階でガラス上に過冷却微水滴が付着しないようにするためである．照明は前述のファイバー式光源が用いられた．顕微鏡にはビデオカメラを取り付けておき，撮影状態にしておいてから前述の空気泡を破裂させるわけである．このようにして撮影されたビデオから，適当な映像をビデオプリンターにより印刷すれば，ダイヤモンドダストの顕微鏡写真が得られる．図２はダイヤモンドダストが最も多く発生していると見られるときに撮影されたものである．この映像では，ダイヤモンドダストを構成している氷晶の大きさは４０～８０“ｍであるように見られる．なお，このときの空気泡を破裂させた時ｏＣ水皿の水温１８ｏＣほどであったの実験温度は，庫内が－１５，．. ３．実験の結果. （１）ダイヤモンドダストの発生と温度本実験装置において，ダイヤモンドダストの生成実験を行った結果，その発生は，庫内の温度，庫内に水分を供給するための水皿の水温及び空気泡の破裂による氷晶の核化作用に関連しているものと考えられた．ここでは，ダイヤモンドダストが発生するときの庫内の温度と水皿の水温との関係を調べるために，それらをいろいろと変化させて，その発生の有無に関する実験を行った‐ 実験は，低温槽の庫内の温度をｏｏＣ～一２５. ｏＣ～４０ｏＣの範囲で種々設定し０Ｃ水温をｏ，，. ３５．ｏ－．，．，，，．，，．. ・１１ｉま１１ま１１１１１１ … ｉ … ｉｉｉｌ馨纂１ … . 直後の庫内の温度（図１のＡによる），縦軸し姫 ′団ｌｍ。〃トス、【太スｍ畦ｍ７. １１１ ≧ １醒灘璽１１１璽１１１きき１１驚鰯灘 ≦ 開１１１１. …. ．.

(6) . ダイヤモンドダストの生成実験. ３５. る．このグラフによれば，ダイヤモンドダストの生成は低温槽の庫内が－５℃に近い，比較的高い温度でもｏｏＣ以上ということにＣ以上で，その温度差は３５なされることがわかる．ただし，このときは水皿の水温が３０ｏｏＣでは水温が１Ｃ以上でダイヤモンドダストが生成することになり，その温なる．また，庫内の温度が－１ｏ７ｏＣ以上さらに庫内ｏＣでは水温が９ ℃ 以上でその温度差は２４０Ｃ以上となる庫内の温度が－１５度差は２７，，，．. ｑ０Ｃ以上となり，いずれもその温度差以上のときにダイヤの温度が－２０Ｃでは６℃以上で，その温度差が２６ｏＣの近傍において水温との差が最５モンドダストの発生がみられた．このような結果から，庫内の温度が－１も小さい，つまり，この意味においてダイヤモンドダスト（氷晶）の発生しやすい温度が存在するものと考えられる．（２）ダイヤモンドダストの生成時間ダイヤモンドダストの生成は，空気泡の破裂から極めて短い時間でなされるものであることが実験において確認された．その事例を，図４－１，－２に示す．この図は，低温槽の庫内で空気泡が破裂する直前からダイヤモンドダストが庫内全体に広がるまで，時間の経過にともなうビデオの映像を抜粋して示したものである．各写真の左下には，映像の順番を示した番号と空気泡の破裂からの経過時間が記載されている．これらの写真は低温糟の上方から撮影されたもので，２本の光ファイバーの光源と，その下の庫内の底に置かれた水皿の一部が各々に見られる．映像番号１）の空気泡の破裂直前の写真では，光ファイバーの光源に照らされてた水雲状態の微水滴群が認められる．このような微水滴は庫内全体に広がっているわけであるが，その空間密度が余り大きくないために，光の強い光源の近傍でしか写真に映し出されていない．また，このような微水滴が存在しているということは，その空気塊は水飽和の湿度状態にあると言える．なお，１）～４）までの写真で，左端に見られる凹凸状の文様は，低温糟の庫内の壁に貼り付けた黒いビニールシートの反射像で，一連の実験内容には関係がない．また，この実験は，庫内の温度が－２１．アＣで，これに水温が２１．Ｃの水皿を入れて行われたものである．. ．２）の空気泡の破裂直後の写真では，１）の粒状のモヤとは異なり，きめの細かな湯気状になって光源に照らされていることがわかる．この湯気状の気塊は極く瞬間的に広がったものである．これが，３）に移行して，湯気が部分的な塊状となり，一層濃くなっていることがわかる．さらに，４）ではこの湯気が筋や帯の状態に変化している．これがダイヤモンドダスト発生の予兆として，極めて特徴的な現象である．１秒後の５）ではこの傾向が一層進み，筋状の成層的な流れが見られる．６）では写真下方に鮮明な渦の発達状態が確認できる．そして，空気泡の破裂から３秒後の７）において，この筋状にそって点々と輝いた氷晶，すなわちダイヤモンドダストが確認される．これは，目視で観察されたはじめての段階でもある．このような）へと一層進み，そして，１現象が８）から１）では氷晶の点々とした輝きが全体に広がっていて，１２秒後の１２ダイヤモンドダストが最盛の状態に達したことを示している．このような一連の映像から，ダイヤモンドダストは空気泡の破裂，つまりは庫内と異質の空気塊の挿入から３秒程度の短い時間で生成されるものであり，その発生は，湯気状の空気塊が筋や帯の形態に変化していくなかから，それらの縁に沿ってなされるようである．そして，その後１０秒ほどの時間経過でダイヤモンドダストは庫内全体に広がることになる．. （３５）.

(7) . . 油川. ３６. 英明・碓氷. 英之・瀦藤. 亜樹. ÷ 三ヒー－４）０３秒後．. １）空気泡の破裂直前. ￥謙一． ‐－－. ５）１秒後. ２）破裂の瞬間. １ー. ６）２秒後. ３）００３秒後．図４－１. ダイヤモンドダスト発生のビデオ映像（その１）（３６）. １.

(8) . . 嚇さ．. 崎. ．三. . ．，盈樹響. ー. －：. ，. ・、・．. ． ▲▼. ●．●．●． ●． ●． ●．・. ９）６秒後. ：. . な｝．・ . ，さゞ、. ）１１１０秒後８）４秒後. ‐ ，－蕊報. 二瞬・テー. ｝. ，. . ．拳喜べ ‐. ，. . き岬ゞ．＼. ．. ダイヤモンドダスト発生のビデオ映像（その２）. 図４ー２. ）８秒後１０７）３秒後氷晶の発生を目視で確認. ７３. ダイヤモンドダストの生成実験. ７３.

(9) . 油川. ３８. 英明・碓氷. 英之・斎藤. 亜樹. （３）ダイヤモンドダストが発生しない場合空気泡によるダイヤモンドダストの発生は，どのような場合でも見られるということではない．ここでは，ダイヤモンドダストが発生する場合と発生しない場合の両方の例について，ビデオの映像を対比させて示すこととする．これらの事例を図５に示す．図で，Ａのシリーズは，ダイヤモンドダストが発生した場合で，ダイヤモンドダストが発生た庫内の温度が－２０．ｇＣの水皿を入れた場合である．ま，Ｂは．ざＣ，その中に２７ある．Ａは，呼気で膨らませたゴしなかった場合で，一１２．ぴＣの水皿を入れて行った実験で ‐ぴＣの庫内に２１. ５ｃｍ径の大きさの空気泡をつくり，それを指で破裂させた場合で，他方，Ｂは室内の空気でム風船から約２．５膨らませたゴム風船から４ｃｍ径ほどの大きさの空気泡つくり，それを破裂させた場合である．図の写真の ‐ ０３秒後（ビデオ画面のフレーム左下の番号はそれぞれ，１は空気泡の破裂直前，２は破裂直後，３はその０．数による最短時間）である．これらの画像の変化を対比することにより，以下のようなことについて述べることができる．すなわち，ダイヤモンドダストが生成した場合のＡ－２と，発生しなかったＢ－２の場合と. では，空気泡の破裂による空気塊が，前者ではある方向性を有して鋭角的に水雲の中に突き進んでいるのに対して，後者では空気塊の広がりに鋭さが欠けていて，球状の広がりを示していることである．これが，両方の３の場合では一層顕著な差が見られ，Ａでは湯気状の輪郭が鮮明であるのに対して，Ｂでは一様な広がり方を示しており，輪郭が不鮮明である．このような違いから，Ａでは図４の場合のように変化をして行き，ダイヤモンドダストが庫内全体に広がり，Ｂでは湯気状の塊が段々薄くなって，結晶状のものは生成されず，ついには消滅してしまうわけである．このような現象は先の梱包材の空気泡においても同じように見られ，瞬間的な破裂を損じた場合にはダイヤモンドダストの発生は行われず，再度，空気泡を勢いよく破裂させると短時間のうちにダイヤモンドダストの発生が見られた．４．考. 察. （１）ダイヤモンドダスト生成の実験式についてｏＣ近傍においてその温度と水皿の水温５第３章の実験の結果で触れたように，低温槽の庫内の温度が－１，との温度差が最小になるような，いわば温度差だけから評価して，ダイヤモンドダストが生成しやすい空気塊の存在が推定される．このことについて，図３のダイヤモンドダストが発生する境界を示した曲線のグラフから，その温度を見積もってみた．曲線のグラフにおいて，庫内の温度の絶対値を×とし，水皿の水温をｙとして，その実験式を求めると９＝. ３１×１０２３．となる．１３２工．. ｘはダイヤモンドダストが生成するときの庫内の境界温度に関わる値を表し，ｙはそのとききの水皿の水Ｔ）は，結局，以下のように示すことができる．即ち，温のであるから，それらの温度差（Ｔ；〃－（－ “ ー. ３３．×・０２．－ ‐（－－コリ１３２ヱ. このグラフは極小値を有しており，その値は求めるべき最低値になるから，ｄｒ . ＝Ｏ. から求めることができる．その結果，. （３８）.

(10) . . ３９. ダイヤモンドダストの生成実験. 〆， . Ａ－Ｉ. . . Ｂ－１. ′ ．絹臨書シー．，. １－. Ａ－２. １. Ｂ－２. 一，. ‐．、. ，. －ーーなき. ‐. . ● ．，，）. な凄艶糧転戦. ー. －. Ｂ－３. 図５. ダイヤモンドダストが発生する場合（Ａ）と発生しない場合（Ｂ）（３９）. Ｌ．， ′ ， ▼ 〆，， ▼.

(11) . . 油川. ４０. 亜樹. 英明・碓氷英之・踏藤. ８ヱ＝１３．. となり，実際の庫内の温度に直すと，－１３．げＣとなり，これらの差．ざＣとなる．また，このときの水温は１０. ４ｇＣが求められた．として，ダイヤモンドダストの発生する温度差の最低値である２ここで，水皿の水温ｙは低温槽の庫内に供給される水分の量を決めている因子であると考えられるので，皿の大きさや庫内の容積などが変わればそれにともなって水温の値も当然変わることが予想される．しかし，３庫内の温度ｘは低温槽の形態などに関係する値ではないので，上記で求められた－１．ｇＣという温度は固有の意味を持っているものと考えられる．一方，このように水皿を低温槽に入れて雪結晶を. ＊. 樹. 状. １. 金十. 作製する方法は，中谷の対流型人工雪装置に類似し. ◇. 角板，扇形. ×. 針. たものである．このことから，図６に示したように，. ◆. 厚. 板. ｍ. 角. 今立体角板. ○. コップ，扉風状. 中谷の人工雪生成に関する図表において，雪結晶が生成する箇所の温度（Ｔ. と水温（Ｔｗ）について’. 上述と同様の方法により，境界曲線から温度差の最ｏＣとなっｏ低値を示すＴａを求めると，その値は－１３．. た．この値は低温槽におけるダイヤモンドダストの生成の場合とほぼ一致を示している．ただしにの. ・７ｗ義. “. 枝角. ｖｌ “ ，：川. 柱. ，. ２. Ｊ，１も＊. ，．，ｔ・ーら；、. 最低値（図の◎）を結んで得られたものである‐ こ. ◆. こで，Ｔｗの最も高い「針異型」の値を採用しなかっ. ５はた ’ 零そ驚繁雑踊躍雷１；. ′．. ．・『， ▲ ．. ．）. ：１：熱い．. ｒ葺 …… 戸，き：三．. 電雲．なさ／＼ぐじき … ／部. この…＊＊三三誓言予審三ぎｒ三宿・ｏそと条件締するので甑. いミメ～. 濃霧鰯零．. ｗ・ｍ／〆 ′ 、－・／. このようなことから，今回のダイヤモンドダスト. から導かれた値との共通性からではあるが，一定の. 形. … ・＼１ｉ孝司＼. 境界の曲線は，Ｔ“の値の高い方から「針」，「扉風型」，「樹枝」，「厚角板」が生成されるときのＴｗの. の実験と人工雪の作製には，境界曲線の存在とそこ. 異. ００. 関連があるものと想像される．. ‐５. －１０. 一１５. 一２０ ℃. . 図６. 中谷のＴａ－Ｔｗダイヤグラム. （２）ダイヤモンドダストの発生のための空気泡について今回の実験において，ダイヤモンドダストの発生は梱包材の空気泡やゴム風船を低温槽の水雲のなかで破裂させることにより得られた．このことをさらに確かめるために，市販されている種々の材料を用いて空気泡を作り，それらを破裂させて，ダイヤモンドダストの発生を調べてみた．５ポリエチレン製の袋を用いた実験では，空気泡の大きさが２ｃｍほどのものでは生成したが，同じ材質で．も薄手のラップでは二重にして，気泡も小さめの場合にその発生が見られた．これに比較して，塩化ビニリデン製のラップでは少し厚めであることから，一重で作った気泡を破裂させることにより生成した．ゴム風船の場合には，薄手のものの場合には呼気により膨らませた場合のみダイヤモンドダストが生成し０た．厚手のゴム風船では，かなり大きな気泡でもその生成が見られ，呼気により膨らませたり，０Ｃの水をｏ入れて破裂させた場合には一層の生成がなされたが，５０Ｃに近い温度の水を入れた場合にはダイヤモンドダ（４０）.

(12) . ダイヤモンドダストの生成実験. ４１. ストは発生しなかった．. このようなことから，低温槽においてダイヤモンドダストを生成させるには，適度に湿った空気塊を庫内の水雲の中に素早く放出させるようにすればよいことがわかった．この場合，空気泡をつくっている物質の組成そのものには依存しないようである．この他に，静電気や空気の振動（音波）の影響について若干の実験を行ったが，この限りにおいては，特）にダイヤモンドダストの生成とは関係が見られなかった８．（３）ダイヤモンドダストの生成機構について今回の実験結果を基にして，ダイヤモンドダストの生成機構について以下のように推察を試みた．すなわち，ダイヤモンドダスト，つまり氷晶の生成はその核化がどのように行われるかということがひとつの要点）として氷晶とは特であると考えられるので，先ずはこのことについて検討を行ってみた．これまでの説９，. 別な物質が核となり，あるいは自発核が形成され，それに対して水蒸気を有した気塊から水分子が昇華凝結して核化，つまりは初期の結晶化が起こるとされている．これは水という物質の気相から固相への変化である．しかし，本実験においては，低温槽の庫内に氷晶の核となる特別な物質をシーディングして気相成長を行なわせたわけではない．また，庫内には過冷却の微水滴が無数に存在し，空気そのものは過飽和ではなく，水飽和の湿度状態にあると考えられ，自発核による氷晶の発生は水についての過飽和度が必要であるとされていることから，今回の低温槽における氷晶の生成に関しては，上述の昇華凝結説及び自発核説の適用が困難ではないかと判断される．一方，低温槽のなかで空気泡を強制的に破裂させることは，その気泡の空気塊を「断熱膨張」させることに）一般に断なり，結果として空気塊の温度を下げて，自発核を生成さるものではないかと言われている６，．熱膨張にる降温現象は，その内部エネルギーの減少によらなければならず，今回の実験のように気泡を破裂させるために外部から気塊を圧縮するという作用（仕事）が伴う場合には，そのような現象が生じることは考え難い．さらに，梱包材などの気泡は大気圧と同等かあるいは若干高めの気圧でしかないことから，それが外部に広がったとしても，そのことによる内部エネルギーの減少はほとんど考えられなく，従って気塊の温度降下は期待できない．このようなことから，低温槽におけるダイヤモンドダストの生成について，これまでとは少し異なった観点で考えてみることとした．まず，図４に見られる一連のビデオ映像によれば，ダイヤモンドダストの生成は，気泡の空気塊が素早く過冷却の水雲のなかに貫通し，それが湯気状の気塊を生じ，その後すぐに気塊が「筋」あるいは「帯」の形態に変化をするなかで行われるということであるさらに図５に示されたよう．，に，気泡の破裂に余り勢いがなければその気塊は筋状などに変化せず，ダイヤモンドダストが生成しないことから，結局，梱包材などの気泡の破裂が低温槽の庫内に一種の気流を作り出すことができるか否かがダイヤモンドダストの生成に関わっているように考えられる．この場合，庫内の空気は，底に置かれた水皿からの暖かい水蒸気の上昇流により，一定の対流が生じていると考えられる．ここで，上述のような新たな気流を作り出すためには，その対流の流速に打ち勝つだけの気流を庫内に生じさせることが必要となるわけである．つまり，このような大気の条件のなかでダイヤモンドダストを生成させるためには，気泡の破裂などによって，その気塊に対してある闇値を超えたエネルギーが与えられなければならなということである．このとき，実験で水分を含ませた気泡を破裂させる方がダイヤモンドダストを生じさせやすいという結果を得たのは，その水分の凝結作用が期待できるとともに水分，を多く含んだ気塊はそれだけ質量が大きくなり，破裂に伴う獲得エネルギーが大きくなるということも関与しているのではないかと想像される．. さて，庫内の定常的な対流の流れのなかに新たな気流を貫入させるということは，その温度場を乱すこと（４１）.

(13) . １油川. ４２. ．英明・碓氷. ・１英之・衛藤. 亜樹. になる．つまり，冷気が比較的暖かい対流のなかに入れば水蒸気の凝結が生じることから，その箇所においては一層の微水滴が形成されることになる．ビデオの映像では，図４の２）から３）にかけてそのような変れる．こ化が ‐うかがえる．さらに，３）の湯気状の気塊が変化して４）の映像においては筋状の発生がみらの筋状の気流は時間とともに発達していることがそれに続く映像で知ることができるが，ダイヤモンドダス）の映像ではこれが減衰してきている．このような現象が極めて短い時間に生２トが全体的に広がっている１じるということは，ダイヤモンドダスト，つまり氷晶の生成は瞬間的になされるものであるということを示している．. 気泡の気塊に余り温度の高い水分を含ませた場合には，上述のことから，貫入する気塊の温度が高く，凝結作用の役割を果たせないことになり，よって筋状の流れも発生しないことになる．これが，先の実験の結果であると考えられる．また，庫内の空気が気泡の破裂貫入により凝結微水滴を生じるためには相応の水分を含んでいることが必要であることから，それが図３のダイヤモンドダスト発生に関わる庫内の温度と水皿の水温との関係として示されているのではないかと考えられる．映像の３）で見られる湯気状の気塊が，上述したように筋状に変化し，氷晶を生成させ，そして減衰していく過程は，エネルギー収支の原理から，気泡の破裂による気塊の運動エネルギー及びそれに伴う水蒸気の凝結エネルギーや水滴の凍結エネルギー（潜熱）の散逸過程を示しているものと考えられる．ところで，過冷却微水滴はある条件においては，凍結とともに氷晶化する場合がある．その条件とは，過冷却微水滴の生成過程に関係があるようで，一般的には高い温度で凝結するよりも，氷点下の水蒸気から凝）このようなことから氷晶化されやすい微ｏ結した場合の方が氷晶化しやすいことが実証されてきているｌ，．水滴とは，庫内の水皿から高い温度で凝結生成されたものではなく，氷点下の対流がなされている庫内の気流のなかで，第二次的な凝結により形成された過冷却微水滴の方が可能性を持っていることになる． ◆ 次に，このような過冷却微水滴がどのような契機により凍結するのかが問題となる．それは，図４の７）に示されたように，筋状に変化した「湯気」の縁に沿って氷晶の生成が見られることから，一般流（庫内の対流部）と筋状気流との相互作用に凍結を引き起こす原因があるのではないかと考えられる．それは，気流の温度差の違いに起因する筋状気流への水蒸気の凝結作用，気流相互のせん断抵抗，微水滴同士の衝突などがあげられるが，この場合，気流のせん断抵抗の作用や微水滴同士の衝突はいずれの気流にも生じる可能性のあることなので，今回の事例は，筋状の流れのなかでの水蒸気凝結，特に速い凝結作用がその微水滴の凍結を促し，氷晶の核化を生じているのではないかと想定された．筋状の気流の縁に沿って発生した氷晶は，微水滴よりも形態的な空気抵抗が大きくなり，一般流へと紛れ込んで行くわけである．筋状の湯気の流れが，その運動量の消耗や周囲との温度平衡化により，段々に減衰すると，氷晶の生成も衰えて，．ダイヤモンドダストは次第に消滅して行くことになる．５．おわりに市販の低温槽を用いて，梱包材の空気泡を破裂させることによりダイヤモンドダストを生成させる実験を行った．その結果，ダイヤモンドダスト，つまり氷晶群の生成に関して，低温槽の庫内の温度と庫内に水分を供給する水皿の水温との関係を得ることができた．そして，この関係から，それらの温度差が最も小さい３場合のダイヤモンドダストの発生温度として，一１．ｇＣを得た．この値は，いわば氷晶が最も生成されやす－Ｔｓダイヤグラムから導びかれい温度であると考えられる．また，この温度は中谷の人工雪作製に関わるＴａたものと同程度であった．実験では，ダイヤモンドダストの生成過程をビデオカメラで撮影し，その解析から，発生時の特徴について新たな知見を得ることができた．すなわち，ダイヤモンドダストは低温槽の庫内において，空気泡の破裂（４２）.

(14) . ダイヤモンドダストの生成実験. ４３. により新たな気流がつくり出され，その縁において発生するものであることが確認された．この現象は，空気泡の破裂による断熱膨張によるものとみなすには困難であると判断された．また，実験における氷晶の生成は極めて短時間の間になされ，その現象はこれまでの氷晶核や自発核をもとにした昇華凝結説などでは理解が難しいことから，過冷却微水滴の氷晶化凍結説を提起するに至った．これは，過冷却微水滴の凍結により直接的に氷晶が形成されるとするもので，従来から言われてきている特別な核の存在や過飽和湿度を有した大気を想定する必要もなく，種々の天然現象を解釈する上において有意なものと考えられる．本研究を進めるにあたり，北星学園大学の秋田谷英次教授には実験の内容及び装置に関して多くの示唆と援助を頂いた．ここに記して感謝の意を表する．なお，本報告は，北海道教育大学社会教育課程における卒業論文「ダイヤモンドダストの生成に関する実験的研究」をもとに，若干の追加実験，加筆等を行いまとめられたものである．引. ）１）中谷宇吉郎（１９４９. 用. 文. 献. 雪の研究，岩波書店. ２）小林禎作（）１９５７. Ｄ迂ｆｉ１６１ｕｓｏｎｃｏｌｕｄｃｈａｍｂｅｒによる雪結晶習性の研究，低温科学Ａ．，ｐ．ｉｉ３）Ｖｏ１９４のＴｈｅｎｕｃｌｅａｔ５９３ｃｅｆｏｒｍａｔｏｎｏｆｉｏｎｂｙｓｎｂｅｒｉｏｄｉｄｅｒｍｅｇｍｔ．Ａｐｐ．Ｐｈｙ．，（，Ｊｏｕｒ，１８，ｐ．，Ｂ．. ）４）Ｓｈａｅｆｆｅｒ１９４８Ｊ．．，Ｖ，（. ｉｎｇｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄｗａｔｅｒｄｒｏｐｌｉｏｎｏｆｃｌｏｕｄｓｃｏｎｔａ立ｌｄｅＴｈｅｐｒｏｄｕｃｔｅｔｏｒｉｃｅｃ１ｙｓｔａｌｓ皿ｌｒ. ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｃｏｎｄロｔｉ９ｏｎｓＬＩＩ１ｅｒ． △４ｅｔ．Ｓｏｃ．，Ｂロｕ．Ａ，２，ｐ．１７５. １９８２５）Ｋｔｍｎａｉ），Ｍ．，（. ＦｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｌｉｐａｔｉｆＳｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄＦｏｇｂｙＡｎ迂ｉＩＮｕｃｌｅａｔｉｏｎ，ｉｃｅＣｒｙｓｔａｌｓａ１・ｄＤｉｓｓｏｎｏｃａ. に１ゴａｔｉｏｎｓｏｆＣｒｙｓｔａＩＨａｂｉｔａｔＥａｒｌｙＧｒｏｗｔｈＳｔａｇｅｓ，Ｊｏｕｒａｎｄｖａｅｔｅｏ．，Ｖｏｌ．Ａｐｐ．～［．２１．４，Ｎｏ，ｐ・５７９. 降雪を人工的に起こし得るか，「雪と氷のはなし」，技術堂出版，ｐ．５０７）Ｋｏｂａｙａｓｉｌｙｐｒｏｄｕｃｅｄａｔｌｏｗｐ１９５８ｔｏｆｓｎｏｗｃぴｓｔａｌｓａｒｔ迂ｉｃｉａｌ）０ｎｔｈｅｈａｂｉｔｒｅｓｓｍｅｅｏ，Ｔ．，（．Ｓｏｃ．，ｊｏｍ．Ｍｅ６）木下誠一（）１９８８. ｒＪａｐａｎ，３６，ｐ．１９３. ８）碓氷英之，磨藤亜樹（）１９９８９）小林禎作（１９８０））１０１９９９）油川英明（. ダイヤモンドダストの生成に関する実験的研究，北海道教育大学社会教育課程卒業論文. 六花の美，サイエンス叢書雪結晶の生成過程について（）２，１９９９年度日本雪氷学会講演予稿集，ｐ．２１４. （４３）.

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