過冷却

カチカチに凍るくらい冷え込む冷凍庫に、ペットボトルの水をそっと入れておいて、取り出してみましょう。見た目は凍っておらず、ひんやりした水がちゃぷちゃぷ揺れています。ところが、ボトルの底をコンと叩いたり、キャップを開けたりした瞬間、透明だった水全体が魔法のように白く凍りつき、冷たいシャーベット状に変わります。

水はふつう0℃になると凍りはじめます。けれども、水の分子がきれいに並んで氷の結晶をつくるには、まず分子がぎゅっと集まって目印になってくれる結晶核という中心点がどうしても必要です。

ボトルの中の水がとても澄んでいて、まわりにまったく揺れもなかった場合、水の分子は氷の結晶を始める出発点が見つからず、お互いに様子をうかがっています。そこへボトルをコンと叩くと、小さな気泡や衝撃が生まれ、それが合図になって、あっという間に氷が四方八方へ広がっていくのです。

もう少し正確に言うと、水の分子が氷の結晶を作りはじめるには、越えなければならないエネルギーの壁があります。水の分子が数個集まってできたごく小さな氷のかけらは、表面を保とうとする不安定な力のせいで、すぐにまた壊れて水に戻ってしまいます。

この小さな氷の種がある大きさを超えてはじめて、まわりの水の分子を一気に引き寄せ、大きな氷へと育っていけます。水中に浮かぶ細かなホコリや、容器の内側のざらざらした傷は、こうした種が安定して居場所を見つけるための頼もしい足場になってくれます。

不純物も傷もまったくない極めて純粋な水なら、その足場がありません。そのためマイナス40℃近くまで下がっても凍らず、液体のまま耐えることができます。これを物理学では均一核生成と呼び、空高くに浮かぶ雲の中でも実際に起きています。

過冷却は、目で見ると不思議なマジックのようですが、自然の中では思わぬ大きな危険をもたらすこともあります。代表的な例が、冬の道路を脅かす着氷性の雨(freezing rain)です。溶けた雪や雨水が再び凍る場合と並んで、ブラックアイスバーン(路面の薄い氷)を作る原因のひとつとされています。氷点下の冷たい空気の中を落ちてくるうちに0℃以下に冷えた雨粒は、空中では凍れないまま、過冷却の状態で地面に届きます。

この冷たい水滴がアスファルトに触れて衝撃を受けた瞬間、待っていましたとばかりに、透明でつるつる滑る薄い氷の膜へと一気に変わってしまいます。目に見えにくいため、冬の交通事故の大きな原因になります。

飛行機が高い空の雲の中を通るときにも、過冷却の水滴が翼にぶつかって凍りつく着氷という現象が起こります。反対に、パキッと折って使う繰り返し式のカイロは、この原理をうまく役立てた発明品です。固まるはずの液体を過冷却の状態で保管しておき、小さな金属板をパキッと折って衝撃を与えると、熱を出しながらあたたかく固まる、という仕組みなのです。