NPO ふくい科学学園
野外の科学実験教室活動報告書
平成２７年

２月７日（土）

１１：００～１４：１５（場所：和泉地区福祉センター（大野市））

雪の顕微鏡観察独立行政法人国立青尐年教育振興機構「子どもゆめ基金助成活動」[実験指導] ふくい科学学園理事長：香川喜一郎
ふくい科学学園理事 ：横井貞弘[実験補助] ふくい科学学園：伊藤文雄、山田博英、森川照男、森川けいこ
山本江津子、香川弘子
ふくい科学学園ボランティア：田仲美保、村田武夫＜協力＞大野市和泉公民館
NPO 科学映像館（埼玉県、川越市）
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＜科学映画鑑賞：「花と昆虫」＞
製作：日映科学映画製作所（１９５６年、カラー２０分）

指導：千葉大学 野村健一
・多くの植物と昆虫はお互いに助け合って生きています。自分が動くことのできない植物は、美しい色やあまい蜜（みつ）、高いかおりなどで昆虫をさそいます。

ねぎのミツを吸（す）う紅（べに）ミツバチを飼う（かう）巣箱

しじみ蝶（ちょう）日立製作所は１９２１年蒸気機関車製造を始める

しりふりダンスで仲間（なかま）に花粉はだんごにして運び、みつばちのみつのある場所を知らせる

大事な食糧（しょくりょう）となる虫を食べる植物もある

花粉から根のような花粉管が出てめしべの頭につきささる1＜実験：雪の顕微鏡観察＞
１．自然雪の顕微鏡観察
・雪の結晶は自然の美の象徴です。しかし、この美しい雪を顕微鏡で見ることは、これまで北陸地方ではほとんど行われていません。それは雪がすぐに溶と）けてしまうからです。
北海道のように気温がマイナス１５度以下の所では、雪を顕微鏡の試料台に置いても溶けないので、比較的簡単に雪の顕微鏡観察ができます。
・我々は、十数年前から、“局所冷却法”を用いて、雪を溶かさない状態に保って顕微鏡観察を行い、福井県のような比較的気温の高いところでも美しい雪の顕微鏡写真が得られることを示してきました。特に、大野市和泉・朝日の付近では、気温がマイナス５度ぐらいに下がる時、とても美しい雪結晶が見られます。それは、近くに大野富士とも言われる高い山、“荒島岳”（あらしまだけ、標高１５２３ｍ）、があることに関係しています。
この山に北西から吹く季節風があたり上昇気流が起こり、断熱膨張によって上空の気温がぐんと下がり、その結果雪の種となる“氷晶”がたくさんできるためと考えられます。

＜ドライアイスを用いる観察方法＞
・ドライアイスを容器に入れると容器の内部は雪を溶かさないほどの十分な低温になると同時に、容器の中は炭酸ガスで満たされます。そのため雪結晶に水滴が付着することはありません。従ってかなり長い時間雪結晶を美しい状態に保つことが出来ます。
・保冷ボックスの底にドライアイスを入れ、新聞紙をはさんでその上に黒い布（ビロード）をおき、そこに自然雪をとらえます。雪をとらえたら保冷ボックスにふたをして室内に持ち込み、形の良い結晶を探して、ドライアイスで冷やしたピンセットを使い観察箱に移します。
・このドライアイスを用いる方法は、温かい部屋でも結晶の観察が出来ます。下の写真は和泉村朝日の民宿で、夜に雪の顕微鏡観察を行っている様子です。右は自然雪結晶の顕微鏡写真です。
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外は寒いが、部屋の中で顕微鏡観察ができる

旧和泉村で撮影した美しい（旧和泉村、民宿「木嶋」にて）

自然雪の顕微鏡写真＜(雪と塩を用いる方法＞
・ドライアイスを用いる方法はすぐれていますが、いくつかの欠点もあります。特に都市部以外ではドライアイスを手に入れるのは困難です。また、ドライアイスは長時間保存することはできません。これに対して、雪(氷)と塩をまぜればマイナス２０度の低温が簡単に得られ、どこでも雪の顕微鏡観察ができます。この場合は断熱性の良い容器を用いる必要があります。
参加児童１人に１個の雪観察装置を作り、各自ルーペや顕微鏡で雪を観察する予定です。雪がふらない場合は、保冷ボックスに作った霜を使って観察方法の練習をします。この方法を使って、実際に雪が降るとき、家でやって下さい。この装置は各自お持ち帰りできます！！

＜氷と塩をまぜ、ブラインを作る＞
・氷は通常（大気圧の中では）０℃ですが、塩と氷を混（ま）ぜるとマイナス２０℃近くまで温度が下がります。氷と塩を混ぜたものをブラインと言います。
・ブラインを作るために、雪と塩の重さの割合を約７対３とします。（注意：しかしこの割合が尐しぐらい変わっても下がる温度は大きく変わりませんので、大雑把に雪：塩＝２：１程度に考えてください）・・雪がない時は、“電動氷かき機”に氷を入れてシャーベット状に細かくします。

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氷を入れる

デジタルはかり

電動かき氷機雪があるときは、かき氷を作らなくても雪をかき氷としてそのまま使用できます。

・かき氷（雪）を１６０グラムはかり、塩を７０グラムはかります。それぞれ別のスチロール容器に入れます。飽和食塩水は１０ＣＣ～３０ＣＣ程度入れます。

・ジャンボラーメン（ごつ盛り）の容器に、雪１６０グラムと、塩７０グラム入れて、木のスプーンで良くかき混ぜます。この塩と小さい氷を混ぜたものをブラインといいます。

雪と塩をよくまぜる。次に飽和食ブラインの温度をすばやくデジタル

塩水を約１０ｃｃ程度加える

温度計で測定する

・ブラインが尐し軟らかく成るように飽和食塩水（溶けきれないほど塩をふくむ水）を約１０ＣＣ)入れます。注射器（はりがないもの）に目盛が付いているのでそれで量を測って下さい。ブラインを尐しべとつかすのは、上にのせる基板とブラインの間で熱接触がよくな4るようにするためです。
・ここで、ブラインの温度を、デジタル温度計ではかってみましょう。
Ｑ：ブラインの温度は何度でしたか？
デジタル温度計＝
注意：つぎの準備ができるまで、容器の上にアルミホイルをかけて外から輻射熱（ふくしゃねつ）が入らないようにしておきます。
このブラインの量で、２人分の小型雪観察装置ができます

各グループ５人として、全員が雪観察を持つためには、ブラインを３回作ります。３回目の１人分の残ったブラインはアルミ缶を冷やして、中にピンセットやはさみ、子筆などを入れてひやすのに使用します。

ピンセット、はさみ、子筆などを冷やすの上部にアルミホイルをかけに使います。

熱が入るのをふせぎます。

雪が降らない場合使用する霜保冷ボックスの中の黒い布に霜を作る

２０倍の顕微鏡で見た霜5

A. 簡単な観察方法①雪をのせる青いプラスチックシートを用意する
・下の写真のように青のプラスチックシート(厚み０．５ｍｍ)（または青色工作用紙）を直径５．５ｃｍぐらいの円にはさみで切ります。水がまわりから入らないようにアルミホイルをまいて、まわりに壁（かべ）を作ります。
[参考]：青のプラスチックシートの購入：
アクリサンデー[株]：サンデーシート（青、300x300x0.5mm）
青色シートをアルミホルの中央に置き、巻いて円板のまわりに壁を作ります（今回はすでに作っています）。
②１人１個の雪観察装置の準備
・顕微鏡は各班１台しかありません。雪が沢山降（ふ）ってくるとき、だれもが雪を採集して、ルーペで雪の観察が楽しめるように、１人１台の観察装置を準備しましょう。
・紙皿は直径 125mm, 高さ 30mm, スチロール容器は直径 130mm, 高さ 70mm です。

１人１台の雪観察装置に使用する道具作ったブラインの半分を紙皿に入れる

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炭酸ガスを表面にふきつける
炭酸ガスを送る

紙皿をスチロール容器の上にのせる

ブラインの上に青色シートをのせる。

雪をとらえる

アルミホイルでおおい熱が入らないようにする

屋内に持ちこみクッキングラップを輪ゴム

屋外でふる雪を集める

ふたたびアルミホイルでおおうでとめる（３０分近く観察できる）。

・今回、紙皿を使って雪観察装置を製作したのは、ルーペと観察する雪の間隔（かんかく）を短くするためです（１５倍のルーペの焦点距離は１．５ｃｍ 程度と短いので、ルーペをうんと雪に近づけなければなりません）。
雪が降っていない時は、ドライアイスを使って保冷ボックス内の黒い布の上に作った霜を冷やした子筆の毛を使って青色シートの上にのせます。
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１５倍、または１０倍のルーペを使って雪の結晶を観察しましょう！
窓際（まどぎわ）の明るい所では照明がなくても見えます。
冷やした子筆の毛ではらって、新たに雪をとらえましょう！
カメラのマクロレンズを使っても＜各自順番に顕微鏡で観察します＞撮影できます。

実体顕微鏡付属の照明で明るさが十分でな

通常の顕微鏡も使用できます(約４０倍)

い場合は、手持ち LED で照明します。

（ラップが曇るとき、ティッシュでふく）

・実体顕微鏡の場合、レンズの先と観察する試料の間隔は約６ｃｍも長いです。従って、ルーペで観察した装置をそのまま実体顕微鏡のレンズの下に置けば観察出来ます。
通常の顕微鏡で観察する場合は、スチロール容器の上に乗せた紙皿をはずして、直接顕微鏡の下に置いて下さい。
6.5mm

福井市内で、ボタン雪を直接観察

左の一部を実体顕微鏡[２０倍]」で観察器でとらえる(外気温 1.1℃)

ボタン雪の中に美しい樹枝状結晶がります8

＜青色シート表面をカメラで接写する＞
雪をとらえた紙の表面をカメラの接写機能を用いて撮影すると、全体としての雪の形の分布を知ることができます。中谷ダイヤグラムで示されるように、上空の気温と湿度によって雪の形がきまります。逆に、雪の形から上空の気象状態がわかります。
カメラの接写で雪の形の分布を記録する

Ｂ. 冷やした黒い布にとらえた雪を観察装置に移して観察
雪の降る量が尐ない時は、直接雪観察装置に雪をとらえるのは困難です。一度保冷ボックス内の大きな雪採集装置に雪をためて、冷やした筆を使って、筆の先に雪をくっつけて雪観察装置に移します
・インスタント焼きそばなどの容器にブラインを入れ、その上に黒の布（ビロード、大きさ約１０ｃｍ角）をのせれば、より広い範囲の雪を一度に集められます。黒の布の裏にはアルミホイルを両面テープではります。これで布にブラインの水がしみこむのを防ぎます。
・雪採集用の黒い布はマイナス１０度近くまで温度を下げれば、しばらくの間、雪は安定に保存できます。だからブラインとの密着がそれほど良くなくてもかまいません。
ブラインの水は減らし、あまりベトベトにしないでおきます。
・黒い布の表面に雪を集めたらサランラップでおおい輪ゴムで固定します。

インスタントやきそばの容器と黒い布

塩７０グラム、雪１６０グラム、飽和食塩水を用いる雪の採集装置

を約５ＣＣを混ぜて屋外でブラインを作る
9黒い布の上にとらえた雪を直接実体

黒い布の上の雪結晶（２０倍）。

顕微鏡で観察することもできます

雪の結晶とともに布の網目が見える。

屋外に雪採集装置を持ち出し、数分間（たくさん降る時は数十秒間）ふたを開いて降って来る雪を黒い布にとらえます。雪をとらえたら、保冷ボックスのふたをして運びます。

保冷ボックスの中に雪採集装置を入れ、雪を集めたら蓋（ふた）をして持ち帰る。
雪捕集前に黒の布の表面に炭酸ガスを吹き付けておきます。

＜長時間使用できる雪観察装置の製作＞

ブライン全部を入れる

長時間雪観察装置を作るための道具

10２つの容器の間にティシュをつめます

ラップをかけ、炭酸ガスを送る

準備ができるまでアルミホイル冷やした子筆で、雪を雪採集でおおいます

装置から観察装置に移します

実体顕微鏡の下に置いて雪結晶ふたたびラップでおおい輪ゴムをを観察します

かけます

・雪観察用の容器はスチロール製のおわん（上側の直径１２ｃｍ、高さ６ｃｍ）を２個重ねて使用します。または、インスタントうどんなどの容器でも十分代用できます。
・雪をのせる基板には、青色の０．５ｍｍのプラスチックシートをはさみで円板状に切って11

それをガラスシャーレの中に入れます。
雪結晶を雪観察装置に移してしまえば、２０度近くの室内でも顕微鏡観察ができます。照明がたらない時は手持ちの LED で照らします。

・雪観察装置のプラスチックの基板の温度はマイナス１５℃近くまで下がっていますので、雪の結晶は約１時間、形をほとんどくずすことなく保存できます。だから顕微鏡でゆっくり観察が出来ます。実体顕微鏡を２０倍にして全体の雪結晶の状態を見た後、顕微鏡を４０倍に切りかえて、ねらった雪結晶を観察しましょう。

扇形結晶と樹枝状結晶が見られる。

福井市内で観察された樹枝状の雪結晶、これらは異なる高度で生成されています。

粉雪が混じっている（４０倍）(顕微鏡２０倍で撮影)。

(注意)：雪観察装置を外に持ち出し、直接雪を採集すると、青プラスチックの基板表面に空気中の水蒸気が付着して表面が汚れてしまいます！しかし、雪観察装置の中に炭酸ガスを入れておけば直接基板表面に雪を受けることができます。雪が比較的沢山降っているときは、この方法が使えます。
雪の量が尐ないときは、上で述べたように一度雪採集装置に雪を集めます。
降る雪の状況にしたがい、適切な方法をとりましょう！

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＜北陸地方の雪の特徴＞
・北陸地方は北海道などと異なり、上空から地上にわたって水蒸気量が多く、雪結晶ガ生成して落下してくる間に空気中の水蒸気が雪表面に小さな氷の粒として付着します。これを雲粒（うんりゅう）と言います。しかし、夜や早朝、気温が零下に下がり、たくさんでなくチラチラと降る雪は北海道などで観測される雪と殆ど変らず素晴らしい結晶です。

雲粒付きの樹枝状結晶(雪採集装置で受福井県奥越で夜観察できた美しい雪結晶

けた物を直接顕微鏡４０倍で観察)(顕微鏡４０倍で撮影)。

雪結晶の６本の主枝には２本の溝が走っています。しかし、霜にはこの溝はありません。

寒波が襲来して多量の雪が降る時は、かえって雪結晶の顕微鏡観察には適しません。ほとんど無定形の粉雪となります。
これは上空の温度が低すぎ、そこ多量の水蒸気が入り、急激に水蒸気が氷るためです。しかし、夜になり、水蒸気量が下がるときれいな結晶に変わってきます。

奥越のスキー場でスキーの合間に自然雪の結晶観察を楽しむことができます。
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２．中谷博士の人工雪の実験
・雪の結晶は自然の美の象徴（しょうちょう）です。雪を人工的に作ることは 1936 年北海道大学の中谷宇吉郎博士によって世界で初めて行われました。その実験は、－30℃ 近くの低温室内に、長さ 1ｍほどのガラスの 2 重管を置き、ガラス管の下方から対流を用いて水蒸気を上方に送り、ガラス管の上部につるしたウサギの毛に人工雪が作られました。
・この人工雪の研究により、雪の結晶の形が、温度や湿度によってきまることなどが明らかになりました。
・石川県、片山津温泉にある、「雪の科学館」では、中谷博士の雪の研究を紹介しています。

うさぎの毛水
低温室で人工雪を作っているところ
Snow Crystals, U. Nakaya, Harvard Univ. Press. より

中谷博士らが用いた人工雪を作る装置(Snow Crystals, ハ ー バ ード 大 学 出 版 、1954 年) より

３．人工霜生成実験
・人工雪の実験をする前に、人工雪生成をすることは教育的に意味があります。霜と雪の違いを明確にすることも大変重要です。短時間に人工霜を作るにはドライアイスを使います。
・平松方式では、ドライアイスが１～２ｋｇととてもたくさん必要です。ここでは尐量（約２５０グラム）のドライアイスで人工霜を作ります。

14・まず、ヨーグルト容器のキャップに、穴を開け、糸を通し、クリップを用いて糸がふたから落ちないように固定します。糸はボトル内でピンと張カット綿キャップるように、糸の先にナットをつけます。
・カット綿を図 A のように糸に巻きつけるように取り付けま糸す。カット綿を巻き終えたら、飲み口に押し込んでキャ
図 A 口の部分の作り方

ップを閉めます（図 B）。

・スチロールの容器に、ペットボトルを入れ、まわりをドライアイスの粉で満たします。ドライアイスを粉状にするのが一つの重要なポイントです。
・ドライアイスの塊（かたまり）を袋に入れて、金槌（かなづち）でたたき、粉々にします。
粉状ドライアイスをヨーグルト容器のまわりに入れた後、ティッシュで上をおおいます。
・キャップ上部から、スポイトを使って、水（約３０度）をカット綿に送ります。
クリップ
カット綿
ヨーグルト容器（120ml）
霜の結晶

ドライアイスの粉

糸
黒テープ

ナット

図B

ヨーグルト容器の断面図

図C

ヨーグルト容器を用いての人工霜生成装置

今回は霜を作る容器はあらかじめ準備

ドライアイスの粉してあります。これを容器に立てて入れます。粉のドライアイスを入れて、ティシュでおおいセロテープで固定します。スチロールの容器は２重にして断熱を良くします。

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・ヨーグルトの容器のキャップに小さな穴があいています。そこにスポイドの水を尐しずつのせると、水はすいこまれて綿をぬらします。綿から水蒸気が容器の下に向かって流れ、糸に霜を作ります。スポイドで与える水は全部で２～３ＣＣです。
・10 分くらいするとすぐに分かるほどの大きさの霜が見えます。霜が見えやすいように、ヨーグルト容器の背部に青テープを貼（は）っています。

LED でななめから照明して、後ろの霜は速く成長するので、形が木の枝の様青いビニールテープを背景に、人工霜になります（マクロレンズで撮影）。

を観察しましょう。

・１０分、20 分、30 分ごとに形を虫メガネで観察しましょう。十分大きくなったところで、雪採集装置の上に落し、顕微鏡観察します。

注意：人工霜生成装置を動かすと、霜は落ち霜のついた糸を雪観察装置にうつてしまいますので、気を付けてください！ して顕微鏡観察をします。

４．氷と塩でできる低温を使って人工雪を作る
・雪は空気中の水蒸気が－15℃から－20℃付近の温度で集まって、昇華凝結（しょうかぎょうけつ）してできるものです。
・雪ができるためには、温度、湿度（水蒸気の量）、核（結晶の種）の３つの条件を整えれば16低温室でなくても、人工的に作ることができます。

雪ができるための条件――＞温度
水分子･

湿度 ・ 核（種）

水蒸気は水分子からなる水分子

水分子が集まって雪の結晶ができる。
（上空では空気中のごみなどを核にして水分子が集まり、雪の結晶ができます）-15 度付近

・シャーベット状にくだいた氷に塩を約 7:3 の割合で混ぜ冷却材として用いると（これをブラインと言う）－20℃近くの安定した低温を作ることができ、それが人工雪生成に適した条件を与えてくれます。

＜プラスティックの表面に雪を作る＞
・タンポポの毛に作る人工雪は尐し難しいので、今回は、もう１つの簡単な方法で人工雪を作りましょう。それはプラスティックの表面に人工雪を作る方法です。

プラスチック板の準備
・今回の人工雪は、青のプラスチック板（塩ビ板：3ｍｍ厚，約 24ｍｍ角）の上に作ります。
・購入したプラスチックの板には表面を保護（ほご）するための薄い紙が貼（は）ってあります。これをはがすとプラスチック表面は強く帯電（電気をおびること）します。
・黒のプラスチック板を検電器（けんでんき）の上に置いて、じっさい、紙をはがすと電気がおこることを確かめて下さい。電気があると検電器のハクが開きます。

検電器を使うと、
目 に見えな い電気が見えます

紙をはがす前

ピンセットで紙をはがした後17

・プラスティック板と小さいプラスティックシャーレの間にスペーサーとして、画用紙をはりあわせた紙を入れます。これは熱の伝わり方をゆっくりさせるためです。
・紙をピンセットではがし、はが左のプラスティックケースに紙と右側の板をはります

した方の面にグリスをぬって、ケースの中にはり付けます。グリスをぬることで、プラスチックの板とブラインの熱の伝わりがよくなります。こうした物を各グループ２個用意して下さい。

今回は、すでにシャーレにプラスチック板をはりつけています！

グリスをぬり、プラステはりつけた黒の紙に、さグリスのついた黒の紙に、青プィックシャーレにはるらにグリスをぬる

ラスティック板をおしつける

注意：青プラスチック板の上側の紙はまだはがさないようにして下さい。容器の中に入れる
直前にはがします。
大きなピンセットを使って、プラスチックシャーレを上から押してブラインに尐しおしこみます。

人工雪生成容器にさしこむ綿棒

ブラインを入れた後、綿棒をさし、ブラインの上にプラスチックシャーレを２個のせる
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＜ブラインを容器に入れた後の実験の手順＞
１）綿棒は太い方が容器の内側になるようにさします。
２）２個のプラスチックシャーレをピンセットでブラインの上におしこむようにしてのせる。
３）すぐにクッキングラップをかけて、内部の湿った空気を追いだすようにチッソガスを吹き付けます。
クッキングラップをかけ、チッソガスを流して湿度の高い空気を追い出します。
注意：ブラインの近くを吹きつけないように、水が飛び散ります！
４）クッキングラップを輪ゴムで固定し、アルミホイルをかけ、まわりから熱が入らないよ
水が飛び散ります！
うにします。
５）シャーレをのせてから５分後に、注射器で３個の綿棒に、水をそれぞれ数滴送ります（針先でクッキングラップを破って、外側に突き出ている綿棒に水を与えます）。
６）さらに５分後、また、水を数滴送ります（内側の綿棒に直接針をさします）。
７）それから５～１０分後、容器を実体顕微鏡の下に移動して基板の上にできた結晶を観察します。
注射器針でラップをつき破って水を送る

アルミホイルで外から容器に熱が入５分後、および１０分後に注射器でわずかに水るのをふせぎます。

を送ります。

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基板をブラインの上に置いてから約１５～２０分後に顕微鏡観察をします。

まず２０倍で全体を観察し、４０倍に切りかえて、１個の結晶を観察します。
顕微鏡装置付属の照明で不十分な場合は、別の LED で表面を照らします。

・人工的に作った広幅六花の結晶。尐し枝が非対称に伸びているのは、容器内の水蒸気に不均一があるためと考えられる。また、プラスチック表面の静電気の作用で枝が曲がった結晶もある。基板が青なので人工雪の結晶がより美しく感じられます（２０倍で観察）。

＜黒のプラスチック表面にできたいろいろな形の人工雪＞

星状（ほしじょう結晶）

扇形（おおぎがた）結晶

角板（かくばん）結晶

室温が２０度以上になる場合は、今回の容器では結晶生成は困難となります。
その場合は魔法瓶を使い、魔法瓶の中で人工雪を作ります。

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