飲み物の氷も巨大な氷山も、水面から一部を出して浮かびます。固体は液体より重く詰まることが多いのに、水では逆です。鍵になる密度、氷の結晶構造、浮力、そして湖の冬の姿まで順に見ていきます。
結論：氷は液体の水より密度が小さい
物体が水に浮くか沈むかは、主に物体と周囲の水の密度の関係で決まります。密度は単位体積あたりの質量です。米国地質調査所は、凍結すると氷の密度が液体の水よりおよそ9％小さくなると説明しています。そのため、氷が押しのけた水による上向きの浮力が氷の重さと釣り合う位置で、氷の一部を水面上に出して浮きます。
凍ると分子が離れて並ぶ
液体の水では水分子が動き回り、分子同士の配置も絶えず変化しています。凍結すると、水分子間の水素結合によって分子が規則的な結晶格子に並びます。この構造は液体よりすき間が多く、同じ数の水分子がより大きな体積を占めます。質量がほぼ同じまま体積が増えるため密度が下がる、というのが氷が浮く直接の理由です。
水は約4℃で最も密になる
淡水は冷えるにつれて普通の液体のように密度を増しますが、約4℃で最大密度になり、それより冷えると再び密度が小さくなります。0℃付近の冷たい水は約4℃の水より上に残りやすく、表面で凍結します。水温だけでなく塩分や圧力も密度や凍結条件に影響するため、海水では淡水と条件が異なります。
湖が表面から凍ることの意味
表面にできた氷は下の液体の水より軽いため沈まず、上部を覆います。氷の層は外気との熱の移動を遅らせる役割も持ち、湖全体が短時間で底まで凍るのを妨げます。米国地質調査所は、この密度の性質が水中の生命にとって重要だと説明しています。ただし薄氷の強度は外見だけでは判断できません。
安全上の注意
湖、池、川、海の氷には乗らないでください。氷の厚さや強度は場所ごとに異なり、流れ、湧水、気温、積雪などで急変します。家庭でも密閉容器やガラス瓶を満水のまま凍らせると、凍結膨張で破損するおそれがあります。製品の説明に従い、凍結可能な容器と十分な空間を使ってください。
参考資料
- U.S. Geological Survey: Water Density
- NOAA JetStream: Sea Water
- NOAA Global Monitoring Laboratory: Icebergs!
- University of Washington Physics Lecture Demonstrations: Density of 4 C Water
次回のテーマ
次回は『水に浮かべた氷が溶けても水位がほぼ変わらない理由』を解説します。
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