卓上人工雪装置

多くの方に人工雪の結晶ができていく様子を見てもらい、その映像をもとに天然の雪のでき方を説明することで、 雪の結晶への関心を深めてもらうことを目的として、会社の出展ブースに展示するため作ったものです。

卓上人工雪装置

装置概要

食品用ラップの上に、雪結晶のように霜を発生させる装置です。

装置の詳細は こちら 雪氷学会全国大会大会予稿集 J-STAGE

装置を動かすと、まずラップの上に結露し小さな水滴で埋め尽くされます。 その水滴の中でたまたま凍ったものが雪の結晶のように凍っていきます。 結晶の周りにあった水滴は蒸発してなくなります。蒸発した水は結晶の成長に使われるからです。

このタイプの人工雪は窓霜と似ています。実際、窓霜ができ始めるときに、 小さな霜とその周りを囲むように水滴がついていない領域がみられます。 運が良ければ雪の結晶のような霜がみられます。

人工雪の例

動画

静止画

卓上・写真 卓上・写真 卓上・写真 卓上・写真 卓上・写真 卓上・写真 卓上・写真 卓上・写真

gifアニメ

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自然対流型装置

自然対流型装置は大学院のとき研究用に作成しました(富山大学理学部理学研究科 修士論文,1998)。

室温内での実験が可能で、実体視顕微鏡の下に置いて観察します。冷却に液体窒素を利用するので、 低温でかつ強い放射冷却のもと結晶が成長します。 鉛直方向に温度勾配があるので、いろいろな温度条件で成長する結晶を観察することができます。 0℃からおそらく-100℃以下の環境での結晶が成長し、天然の雪には見られないちょっと不思議な結晶形になることがあります。

映像は基本的に実態視顕微鏡にハンディカメラを覗かせて、VHSテープに記録したものです。

自然対流型装置 自然対流型装置

自然対流型装置(高さ10cm)

装置概要

装置の大部分は断熱材でできています。冷却部はアルミ板で仕切られた空間に液体窒素が入る形となっており、 アルミ板まで液体窒素が蒸発して減少するまでの時間、おおむね一定の温度で人工雪を成長させる空間を冷却することができます。 アルミ板の外周にはヒーターを入れ、弱く空気を温めることで空気の対流を促します。 空気は結晶が成長する空間で下降、ヒーターのある円筒状の隙間で上昇します。 水蒸気の供給は装置上部に設けたドーナツ状のくぼみへ入れた水からおこわれます。

人工雪の例

静止画

-1〜-2℃で成長する樹枝状の枝 -2〜4℃程度の時成長する貝殻状(羽毛状)の枝 -6℃前後の時成長する束状の針 -10℃程度の時成長する樹枝状に連なる扇 -12℃程度の時成長する扇を側枝に持つ星状の枝 -15℃程度の時成長する樹枝状の枝

動画

簡易対流型装置

簡易対流型装置は大学院のとき研究用に作成しました。自然対流型装置を小さくし、サーモグラフの下で実験が可能なように、 室温環境かつ開放空間に結晶を成長させます。サーモグラフは焦点距離 4 cm しかないので、 この距離内で開放空間でかつ雪結晶が成長できる温度に調整するには、液体窒素による強い冷却が必須となりました。 水蒸気は凝結核ともに室内の空気から直接入り込むので、温度-水蒸気条件によっては装置内には微水滴が降下していきます。 上から下に温度が低下する環境なので、垂直に垂らした兎の毛には、0℃からおそらく-100℃以下の環境での結晶が成長します。

簡易対流装置の外観 簡易対流装置の概略図

簡易対流型装置(高さ 6 cm)

装置概要

本体は断熱材を削って作っています。 自然対流型装置と同じように、液体窒素を入れる空間と雪結晶を成長させる空間をアルミ板で仕切っています。 雪結晶は、開口部に渡した針金より吊り下げたウサギの毛に、霜のように成長します。 サーモグラフのレンズやカメラのレンズを開口部に接近させて観察します。 液体窒素が入手できれば、非常に簡単に雪結晶観察をおこなえる装置となっています。

人工雪の例

静止画

羊歯状の枝・サーモグラフ

動画

対流拡散型装置

対流・拡散型装置は大学院のとき研究用に作成しました(富山大学理学部理学研究科 修士論文,1998)。 低温室内で実験し、実体視顕微鏡の下に置いて観察します。 ポリエチレン薄膜を低温室の空気で冷却し、そこへ容器の底に張ってある少し加熱した氷から水蒸気を供給します。 こうすると、水蒸気は対流にのって雪結晶に供給されるほか、 ポリエチレン薄膜上に付く過冷却微水滴からも拡散によっても供給されます(雪結晶の成長とともに過冷却微水滴は蒸発します)。 実体視顕微鏡での観察のほか、サーモグラフでの結晶温度測定も行いました。

対流拡散型装置外観
装置概要図

対流拡散型装置(高さ約 4 cm)

装置概要

薄いアクリルの容器の底にニクロム線を入れ、ポリエチレンの薄膜のふたを付けたシンプルな構造です。 アクリル容器の底に氷を張り、ニクロム線に通電しその氷をわずかに加熱します。 すると、氷から昇華した水蒸気が、装置内で最も温度が低いポリエチレン薄膜に供給され、薄膜表面に結露します。 ポリエチレン薄膜状に付着した凍結核が上手く凍ると、雪の結晶様の霜が成長します。

結露した水は過冷却水滴となり、雪雲の雲粒を再現します。そして発生した結晶の周りには過冷却水滴が付かない水蒸気拡散場が作られます。

人工雪の例

対流拡散・写真 対流拡散・写真

薄膜拡散型装置

装置概要

準備中

人工雪の例

準備中

強制対流型装置

装置概要

準備中

人工雪の例

準備中

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