北 海道 の雪 氷 N016(1997)
ペ ッ トボ トル で雪の結 晶 をつ くる
・
・ 寒 冷 環 境 の 教 材 化 の 一 環 と して ・ ・ 平 松 和 彦 (旭川 西 高 等 学 校)
1 1ま
じめ に中 谷 宇 吉 郎 博 士 の グ ル ー プ が 世 界 で は じめ て 人 工 雪 を 作 成 した の は
1936年
の こ と で 、 これ は 低 温 室 の 中 に お い て で あ った 。 筆 者 は 常温 の 室 内 で 雪 の 結 晶 の 成 長 過 程 を観 察 す る こ とが で きれ ば 、 よ り 自然 現 象 の 面 白 さ を実 感 で き る と 思 い、 ベ ッ トボ トル の 中 に人 工 雪 を 作 成 す る 装 置 を 考案 した 。 本稿 で は そ の 装 置 の 作 成 方 法 お よ び観 察 方 法 な ど を 紹 介 し、これ を理 科 教 育 の 場 で 活 用 す る こ と を 提 案 した い 。 な お 、 この テ ー マ は 筆 者 が 数 年来 構 想 し、 試 行 して い る「 寒冷 環 境 の 教 材化 」 の 一 部 と して位置 づ け られ る。
■
装 置 の 作 成 方 法 材 料
・ ペ ッ トボ トル (500mり
(凸
凹 の 少 な い も の が よ い)・ 発 泡 スチ ロー ル 製 ク ー ラ ー (他の 容 器 で も 代 用 可 能)
・ 鉤 り 糸
(03号
な ど細 い も のデ ン タ ル フ ロ ス を 裂 い た も の な ど で も 代用 可 能)
・ ゴム 栓
(椅
子 の ゴ ム足 で も 代 用 可 能)・ 消 し ゴ ム
(サ
イ コ ロ状 に 切 って 使 用 す る)作 成 手 順
(1)カ
ッタ ーで ペ ッ トボ トル と 同 じ直 径 の 穴 を ク ーラ ーの 蓋 に あ け る。(2)釣
り糸 の 端 に、 消 し ゴ ム の 断 片 を ホ チ キ ス で 固 定 す る 。(3)糸
を持 つて 消 し ゴ ム を 錨 の よ う に ペ ッ トボ トル の 底 に お ろ し、 日か ら 吐 息 を数 回 吹 き入 れ る 。(4)鉤
り 糸 が ピ ン と 張 つ た 状 態 で 、 ゴ ム 栓 を す る 。(5)ペ
ッ トボ トル を ク ー ラ ーの 蓋 の 穴 に は め 込 む 。(6)ド
ラ イ ア イ ス 約1〜 1 5kgを砕 き 、 内 側 に 詰 め た ク ー ラ ー に ペ ッ トボ トル と 蓋 を セ ッ トす る 。皿
背 景 とな る原 理
(1)上
空 で 雷 の 結 晶 が 成 長 す る よ うな 環 境 を、 ペ ッ トボ トル 内 に つ く りだ す 。 必 要 な 条 件 は 氷 点 下 の 低 温 環 境 、 空 気 中 の 塵 に か わ る 凝 結 核 、 そ して過 飽 和 の 水 蒸 気 で あ る。(2)低
温 環 境 は ペ ッ トボ トル を 冷 や す こ とで 作 り出 す 。 この と き、 ペ ッ トボ トル の 下 部 の 約3分の2をク ー ラ ー ボ ック ス に うめ こみ 、 上部 の 半 球 状 の 部 分 を蓋 の 上 に顔をだした形にすることが肝要である。上部は顔を出しているので、室温に近い。
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北海道の雪氷
No.16(1997)
これ に 対 して 底 部 は トラ イ ア イ ス の 極 低 温 で 冷 や さ れ 、 ペ ッ トボ トル の 中 に は き わ め て 安 定 な 成 層 圏 が 出 現 す る 。 そ こで の 温 度 勾 配 を利 用 して 結 晶の 成 長 す る よ うな 低 温 条 件 を得 るの で あ る 。ペ ッ トボ トル 内 の 温 度 勾配 は 図 に しめ す と お りで 、 ク ーラ ー の蓋 の 高 さ の 前 後 で は
l cmに
つ き6℃〜7℃の 温 度 降 下 が あ る。(3)空
気 中 に 浮 遊 す る 墜 、 つ ま り凝 結 核 の 代 替 物 と して 細 い釣 り糸 を利 用 す る 。 釣 り 糸 の か わ りに デ ンタ ル フ ロス を 裂 い て細 く した も の 、 バ イ オ リンの 弓の 毛 (馬 の 毛)、 ウ サ ギ の 毛 な ど も 使 用 可 能 で あ る 。 そ の 場 合 は 毛 の 固 定 に若 干 の 工 夫 が 必 要 で あ る 。 人 工 降 雨 で核 と して 使 わ れ る ヨ ウ 化 銀 の 粒 子 を糸 に つ け る方 法 も考 え られ る が 、 ヨ ウ化 銀 は重 金 属 で 、 学 校 以 外 で は=般
に 入 手 しに く い薬 品 な の で 、 こ こで は 使 用 しな い 。 む しろ 、 単 一 の 凝 結 核 で は な く、 釣 り糸 を お ろ す こ と で、あ たか も 水 蒸 気が 様 々 な 温 度 条 件 を選 択 す る よ う に して、 釣 り糸 上 に凝 結 して い
<の
を観 察 で き る と い うの が この 装 置 の 利 点 で あ る。 した が つて 、 多 様 な 結 晶形 (晶 癖)を
同 時 に 見 る こ と にな る。(4)水
蒸 気 に つ い て は 、 ペ ッ トボ トル を セ ッ トす る前 に 吐 息 を □か ら吹 き入 れ て お く こ と で過 飽 和 状 態 を つ く り だ す 。 また 、 水 道 水 を 入 れ て す ぐ捨 て るな ど、 他 の 方 法 と併 用 す る の も よ い。平 松 式 ペ ッ トボ トル 人 工 雪 発 生 装 置
ペ ッ トボ トル内の温度
/ゴム 栓 (格子 用 の ゴム 足 でもよい)
室 温
+18° C +7°
CI← ドライアイス
+5 5°
C
+3℃―‑3°
C
N
古―発泡ステロール製
')-)-
一 司1.5℃
‑17°
C‑28°
C‑38℃
￨
おもり (消しゴムを切って 錨のようにおろす)
観 察 して い る様 子 (地 学 の授 業風 景)
釣 り糸(ピンと張 る)
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北海道 の雪 氷
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観 察
(1)ペ
ッ トボ トル の 内 部 の 温 度 勾 配 は 図 に 示 す と お り で あ る 。 養 の 高 さ が ち ょ う ど0℃前 後 と な る 。し た が つ て 、そ の す ぐ 下 あ た り に
‑15℃
前 後 の 層 が 存 在 す る 。 こ の 近 く に 注 目 し な が ら 、 結 晶 成 長 の 観 察 を 開 始 す る 。 ペ ッ トボ トル を セ ッ トし た 時 刻 は 書 き 取 つ て お く 。 数 ￡ 後 に は 釣 り 糸 の 下 部 か ら 白<霜
が つ い て く る 。 さら に
15分
も す る と針 状 の 結 晶 が 水 平 に 成 長 し は じめ る の が 観 察 さ れ る 。(2)観
察 を続 けて い くに したが つて、結 晶が針状や樹枝状 に成長 してい く様 子 を見 る ことが で きる。30分
か ら1時間程度 で8 mmほどに も成長 する。(左右 の 写 真 は そ れ ぞ れ 別 の ペ ッ トボ トル 内 に 成 長 した 樹 枝 状 結 晶)
V
装 置 の 特 徴 と利 点室 内 で 人 工雪 を 作 成 す る 試 み は 過 去 な か つた わ け で は な い。 しか し どの 装 置 も 一 台 を作 成 す る の に か な りの 手 間 と費 用 が か か つて い た 。 筆 者 が 提 案 す る この 装 置 は 、 そ れ らに比 べ てみ て も きわ め て作 りや す い上 に、 観 察 が 容易 で あ る と ころ に特 徴 が あ る。 それ は以 下 挙 げ る 点 に 要 約 され る 。
(1)過
飽 和 の 水 蒸 気 を封 じ込 め る こ と に 以 前 は 苦 労 して い た が 、 これ を 吐 息 に含 まれ る 水蒸 気 で す ませ る。(2)筒
状 の 中 に雪 の 結 晶 が 出 来 て も、 周 りに霜 が つ くの で観 察 が む す か しか った の だ が 、 この 装 置 で は 曇 つて い な い上 部 か ら 下 部 の 霜 の つ く低 温 部 を斜 め に見 下 ろ す こ とに な るの で、 観 察 が 容 易 で あ る 。過 去 者 案 され た 装 置 で は、 霜 取 り液 を塗 る とか 、 観 察 す る部 分 だ け ヒー タ ーで 霜 を 融 か す な どの 工 夫 が 必 要 で あ つた 。(3)安
価 で 作 成 が 容 易 な の で 、 複 数 準 備 して 、 同 時 に実験 をす る こ とが で き る 。 そ れ に よ って 、 比 較 実 験 が 可 能 で あ る 。 つ ま り、 吐 息 を入 れ る量 に よ って、 結 晶 形 が 微 妙 に異 な る な ど、 自然 現 象 の 多 様 性 を 理 解 さ せ る こ とが で き る。(4)装
置 の 構 造 が き わ め て シ ンプ ル な の で 、 子 供 た ち が 材 料 や 方 法 を 自発 的 に考 え て い ろ い ろ 工 夫 す る余 地 を 与 え る こ とが で き る 。 釣 り糸 の 表 面 を 加 工 す る とか 、 吐 息 の か わ りに 水蒸 気 を ど う入 れ るか 等 反 、 発 想 を 広 げ て い く こ とが で き るの で あ る 。 つ ま り これ は「 注 入 主 義 」 に立 つ実 験 装 置 で は な く、 基 本 形 を提 案 して お い て 、 子 供 た ち 自身 が さ ら に創 意 工 夫 して い く「 参 加 体 験 型 」 の 装 置 な の で あ る。‑25‑
北海 道 の雪 氷
No 16(1997)
Ⅵ
教 育 現 場 で の 実 践 事 例
新 聞 紙 上 お よ び テ レ ビ 局 か ら報 道 さ れ た こ と で 、 全 国 各 地 か ら 問 い
3わ
せ が あ つた 。 ま た 授 業 な ど で実 施 さ れ た 様 子 の 情 報 を 得 る こ と が で き た 。 い ず れ も 数 台 を 用 意 し て 、 同 時 に 実 験 を お こな う と い う 、 この 簡 便 な 装 置 に ふ さ わ し い 授 業 形 態 が と られ た 。旭 川 西 高 等 学 校 理 数 科 の 課 題 研 究 旭 川 西 高 等 学 校 普 通 科 (地学
IB授
業)・ 士 別 市 、 小 学 生 向 け の お も し ろ「 科 学 教 室 」 豊 富 高 等 学 校 で の 地 域 研 究
・歌志内小学校における、福岡県山田市の小学生との交流事業
旭川市、旭川市博物 館主催「 子供博物館」・安城 市、かが くのひろば
・横浜 市、フ エリス女子学院高校
・ 広島 市、広島イ ンターナ シ ョナル スクール 名古屋市、親 と子のわ くわく科学ひろば
・ 力8賀市、中谷宇吉自B雪の科学館
ゴールデ ンウ ィーク企画
・ 福岡市、お天気ひろば (日本 気象協会)
Ⅷ
ま と め と今 後 の 展 開
幸 い に も 、 各 地 の 授 業 や 科 学 教 室 な ど で 試 み ら れ た の で 、 改 良 す べ き 点 な ど も わ か つ て き た 。 前 述 の よ う に 、 す で に ヨ ウ 化 銀 を 使 用 して 成 長 さ せ る 試 み も あ る 。 この 物 質 の 結 晶 構 造 は 氷 品 の 構 造 と よ く 似 て い る た め 、 六 華 状 の 結 晶 が で き や す い 。 そ れ だ け に 初 期 条 件 と して 与 え るの に は 躊 躇 せ ざ る を得 な い 。 ま た 、 この 物 質 は 一般 に は 入 手 しに く い 上 、 重 金 属 で あ る 。 した が つて、 筆 者 は 釣 り糸 な どの 身 近 な 材 料 に 固執 した い 。 簡 単 に 入 手 で き る材 料 を使 う と こ ろ に も教 育 的 な 意 義 が あ る と考 え る か らで あ る。 さ ら に 今 後 、 授 業 の 中 で、 条 件 をか え て 実 験 を繰 り返 して 行 い 、 実 験 方 法 と して よ り洗 練 され た もの に して い き た い。 ま た 寒 冷 環 境 を キ ー ワ ー ドに して「 雪 」 に た い して さ ま ざ ま な ア プ ロ ーチ で 教 材 に と り こん で い き た い と考 え て い る。
急 速 な メ デ ィ ア の 発 達 に よ り、 視 聰 覚 教 材 を は じめ コ ン ピ ュー タ の 導 入 を通 じ て、 擬 似 体 験 が 周 囲 に は 満 ち あIsヽれ て い る 。 そ の うち す ぐれ た もの を 授 業 中 に 取 り入 れ る こ とは 可 能 であ る し、ま た 効 果 の あ る こ とで あ ろ う。しか し自 然 科 学 に お い て は な に よ りも「 本 物 」 を見 た り、 現 象 の お こ る「 過 程」 を 考 え る と こ ろ に そ の 本 質 が あ る は ず で あ る。 地学 に お け る フ ィー ル トワ ー クの 必 要 性 も ま さ に そ の 点 と表 裏 一 体 をな して い る の で あ る 。 機 械 が 発 達 した現 在 で は ます ま す「 本 物 」の 自然 現 象 を見 る 機 会が 減 つて い る 。これ か ら も野 外 、 室 内 間 わ す この よ うな 自然 現 象 の 本 質 を取 り扱 うよ うな 工 夫 を進 め て い きた い 。
◆ 文 献
藤 岡 由 夫,1971:qD谷宇 吉 息
3.雷
鳥 社, 239pp全 国 理 科 教 育 セ ン タ ー 研 究 協 議 会 編,1985:地学 致 材 の 研 究.東洋 館.235pp
