20２１年度日本郵便年賀寄付金配分事業「中間山地における自然環境を生かした青少年のための科学教育推進プロジェクト」＜人工雪・人工霜の顕微鏡写真をとろう＞
主催 ：NPO ふくい科学学園

協

力 ：福井県今立郡池田町立池田小学校（対象学年：4 年・5 年・6 年）

開催場所：池田小学校理科室
開催期日： 令和 3 年１２月７日（火）（１３：５５～１５：３５）

雪のレプリカ顕微鏡写真（左上）、 人工雪生成実験装置（右上）プラスチック表面にできた人工雪（左下）、金属ネジの先端にできた人工霜（右下）

なまえ

名前
１

＜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（石川県片山津出身）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（にじゅうかん）を置き、ガラス管の下方から対流（たいりゅう）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を作るものでした。つまり、自然界をまねた条件で実験が行われました。
・この人工雪の研究により、雪の結晶の形が、温度や湿度（しつど）によってきまることなどが明らかになりました（中谷ダイアグラム）。
・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。
・これまで簡単な人工雪生成装置はありませんでした。私たち NPO ふくい科学学園は、かき氷と塩を用いる簡単な装置で人工雪ができることを見出し、教材として利用することを試みています。

うさぎの毛水中谷博士が低温室で人工雪を作っているところ
中谷博士らが用いた人工雪を作る装置

Snow Crystals, U. Nakaya, Harvard Univ. Press. より(Snow Crystals, ハ ー バ ー ド 大 学 出 版 、
1954 年) より＜人工霜（しも）を作る＞
・人工雪の実験を行う前に、人工霜の実験を行うのは教育的に意味があります。
ドライアイスとペットボトルを使う方法（平松方式）
スポイドでスポイド
水を送る

霜の結晶

ドライアイスの粉

ドライアイスの温度は約マイナス 80 度

木の枝のような霜の結晶
ドライアイスの粉とヨーグルト容器を用いた人工霜生成装置

1かき氷と塩を用いる方法（ふくい科学学園方式）
氷を入れる

電動かき氷機

手でおすとモーターが雪があるときは、かき氷を作らなくても雪を回転し氷がけずれる

かき氷としてそのまま使用できます。

・スチロールの容器に、けずった氷１８０グラム（または雪）と、塩８０グラムを入れて（約７：３の割合）。
スプーンでよくかきまぜます（これをブラインと言う）
マイナス２０度を確認します

ルーペ（10 倍）

プ ラ ス チ ッ クシ ャ ー レに 取 り 付 けた
金属ネジをマイナス 20 度に冷やす

水蒸気が金属ネジの表面に集まり樹枝状（じゅしじょう）の霜となる＜人工雪を作る＞
・雪は空気中の水蒸気が－15℃付近の温度でゆっくり昇華凝結（しょうかぎょうけつ）（気体分子が集まって、液体ではなく直接固体（氷）になる）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（かく）（結晶の種）の３つの条件が大切です。それを整えれば、人工的に作ることができます。しかし、雪ができる条件はとてもデリケートなので、霜を作るときに比べて、注意ぶかくする必要があります。
・自然界で、雪がたくさん降るときでも、雪の形がよくないことがあります。
2雪ができるための条件――＞温度

水分子

・

水蒸気の量

・

核（結晶の種）

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となる。
（上空では空気中のチリなどを核にして水分子が集まり、雪結晶ができる）-15 度付近

・シャーベット状にくだいた氷（または積もった雪）と塩を、約 7:3 の割合で混ぜると（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、それが人工雪を作るのに大変適しています。
室内の温度は２０度以下にしてください！

容器の準備

・ここでは人工雪を作る容器として、１００円ショップで販売しているプラスチック容器（約 480 cc）を使います。容器のまわりに、荷物のクッションに使う、プチプチなどをまきます。こうすることで、断熱（だんねつ）が良くなります。

ふたの穴にあとで綿棒をさす

人工雪生成に使う容器

基板の準備（基板の上に人工雪を作ります）
・今回の人工雪は、青のプラスチック板（約１ｍｍ厚，約 24ｍｍ角に切断）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する薄い紙がはってあります。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。プラスチックの板は帯電した状態で基板の上に置きます。
人工雪を作る基板とプラス
この静電気が雪の結晶の核を作りやすくします。

ックシャーレ・青いプラスチック板とプラスチックシャーレの間にスペーサーとして、黒の工作画用紙を４枚はりあわせて用いました。これは熱の伝わり方をゆっくりさせるためです。
3

・大型ピンセットでプラスチックシャーレのはしをつまみ、ブラインの上に乗（の）せます。
このとき、ブラインにシャーレが少しめりこむようにピンセットでおしつけます。

青プラスチックの上の紙をはがす

少しめり込むように上からおす

・すぐにクッキングラップをかけ、CO2 ガスか N2 ガスを容器の中に流して、中のしめった空気を追い出します。

６個の綿棒を上からさしこむ

綿棒をさしこむ穴をあける

・容器の上部にある６個の穴（あな）を貫通（かんつう）させるように、クッキングラップの上から穴にクギ、またはとがったピンセットの先をさしこみます。その穴に綿棒（めんぼう）をしっかりとさしこみます。綿棒は太い方が上です。
・アルミホイルでおおって、外から熱が入るのをふせぎます。
・数回に分けて、少しずつ水を送り、ゆっくり水蒸気を基板に送ります。
・注射器の先に水滴をのせ（０．５滴、または１滴）、それを綿棒にふれさせます。すると綿棒がすぐ水を吸い取ります。

4注射器を使って水を送る手順の例
１）基板をブラインの上に置いてから、約５分後、各綿棒に０．５滴の水を与える。
（アルミホイルかける）
２）さらに５分後、各綿棒に０．５滴の水を与える。
（アルミホイルかける）
３）さらに５分後、各綿棒に １滴の水を与える。
（アルミホイルかける）
４）さらに５分後、一度、基板表面を顕微鏡で観察する。まだ結晶が小さい場合は さらに１滴の水を与える。
（アルミホイルかける）

・基板をブラインの上においてから約２０分後には雪の結晶は大きさ１ｍｍぐらいになっており、目で直接基板の表面を見ると小さいキラキラ光る物があります。３０分たつと２ｍｍぐらいになり、右下のように、板の表面にたくさんキラキラするものが見えます。

実体顕微鏡に人工雪を作る装置をのせる（左）、基板の表面にできた雪結晶（右）・人工雪は時間とともに大きくなっていきます。星状（ほしじょう） 結晶から、時間がたっと扇形（おおぎがた）結晶に変わることもあります。

星状（１０分後）

扇形（３０分後）・ブルーのプラスチック板に人工雪を作ると、目で見てより美しく感じられます。矢の長さは１ｍｍ・青のプラスチック板の代わりに、黒いプラスチック板（１～２ｍｍの厚さ）を用いても人工雪はできます（プラスチック板はホームセンターで購入できます）。

5星状（ほしじょう）

扇形（おおぎがた）

角板（かくばん）黒のプラスチック表面にできたいろいろな形の人工雪＜雪のレプリカの利用＞
・旭川市科学館では、冬季旭川市内で採取した雪の結晶から雪のレプリカを作製し館内で販売しています。
旭川は国内で最も低温となり、美しい雪が降る所として有名です。
・雪のレプリカの作り方は、氷点下まで冷やしたスライドガラスの上に雪の結晶を置き、そこに特殊なアクリル樹脂の溶液を垂らします。溶液が結晶のすき間に入り、薄い膜となり固まります。しばらくすると中の雪は蒸発し、雪の形を記録した膜だけが残ります。これを雪のレプリカと言います。

旭川市科学館から提供して頂いた雪のレプリカ

・雪のレプリカの利用は大変効果的だと考えています。今後、ふくい科学学園でも雪のレプリカ作成の技術を習得するつもりです。
・下の写真は、実体顕微鏡（40 倍）を使って雪のレプリカを観察し、写真に写したものです。

角板付き樹枝六花のレプリカ：透過型白色
照明（左）、マルチカラー照明（右）・これらの写真が示すように、雪のレプリカにおいても、自然雪その物とほぼ同様に、雪の結晶の美しさと、微細な結晶の構造を十分に表現できています。

＜自然の雪を観察する方法＞
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・北海道では気温が低い（マイナス１０度以下）ので、雪をガラスなどの上でとらえて、顕微鏡の下に運んでも雪はとけません。したがって簡単に顕微鏡観察ができます。しかし、本州では雪をとらえても、すぐにとけてしまいます。
・人工雪を作るところで用いた氷（または雪）と塩を混ぜる方法で低温を作ることにより、雪をとかさずに顕微鏡観察することが可能となります。
・冬になって雪が降るときは、すでに地上に雪がつもっていますので、わざわざかき氷を作らなくても、雪をかき氷としてそのまま使って、塩だけ加えれば雪をとかさない装置ができます。塩の分量はわざわざはかりではからなくても、およそ雪の重さの半分程度の塩を加えればよいです！

雪観察装置
・即席うどんが入っている小さなスチロールの容器と、金属製のビンのふた、それに黒い布を用意します。
・黒い布は両面テープでビンのふたにはります。雪と塩をまぜ（ブライン）を作り、スプーンで容器に入れます（容器の上から２ｃｍ程度まで）。

ビンのふたと容器ブラインの上にふたを置く・装置をアルミホイルでおおいます。数分間まてば、黒い布の表面はマイナス１０度以下になっており、そこに雪をとらえれば、雪はとけることはありません。屋外に装置を持ち出し、アルミホイルを取り除いて、黒い布の表面に雪をとらえるため、数十秒の間アルミホイルをあけます。雪をとらえたら再びアルミホイルでふたをして室内に持って入ります。

アルミホイルでおおう・室内に持って入ったら、すぐにクッキングラップでおおい、輪ゴムで止めます。
・雪をこの装置にとらえると３０分～４０分の間は雪の形を変えることなく保存できます。
・顕微鏡がなくても、１０倍のルーペを使えば雪の結晶の形をかなり拡大して観察することができます。
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虫メガネで雪結晶を観察

ルーぺで雪結晶を観察

ぜひ、自然雪の顕微鏡観察に挑戦（ちょうせん）してください！

＜簡易ルーペ顕微鏡とスマホ（タブレット）で撮影＞
・雪の結晶観察を普及させるには、安価な装置を製作し、それを学校現場などに提供していく必要があります。
・ふくい科学学園では安価な簡易顕微鏡を、1 個 1000 円程度のルーぺ を用いて試作しました

X１０のルーぺ
簡易ルーペ顕微鏡

小さな強力ボタン磁石をつける

雪を観察しながら、スケッチができます(注意：最近、スマホにレンズ（100 円ショップ販売）を取り付けて、雪の結晶を直接撮影する活動が行われていますが、科学教育上、まず裸眼で見た後に写真撮影を行うべきだと考えています）

スマホ（またはタブレット）を使って簡易ルーペ顕微鏡の写真をとる手順
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・実際に雪を観察する前に、切手（カラー印刷の紙）などの試料を置いてスマホ写真の撮影に慣れておきます。
・ルーペの下に観察する試料（ここでは雪のレプリカ）を置き、ルーペに目を近づけて、ルーペを上から下に移動させ、試料がはっきり、鮮明に見えるところで止めます（写真１）。
ルーペのレンズが傾いていないか注意してください！
・スマホ台（100 円ショップで入手）の上にスマホ（またはタブレット）を乗せ、スマホのレンズがルーペレンズのほぼ真上に来るようにします（写真２）
・スマホの画面の“カメラ”を押すと写真３の様な画面が現れます。ルーペのレンズの外枠の円、〇、わくが画面の中央に来るように、スマホの位置を左右に動かし調整します。
・さらに観察する試料（雪）が〇の中心に来るように、試料の位置の微調整を行います。この段階では試料の像は小さいですが、ピンとは合っているはずです（通常、自動ピント調整機能が働きます）。
・次に、スマホ（タブレット）の拡大機能を利用して（指で広げる）、試料の像を大きくしていきます。
もし、試料の像が画面中心からずれているときは、試料を少し動かし再調整を行ってください。

写真１：目でピントを合わせる。

写真２：ルーペのレンズの上にスマホのレンズを近づける

写真３：レンズの円が画面の中央にあり、さらに観察する試料がその円の中心来るように試料を移動する。
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写真４：拡大した雪のレプリカ像

６つの実験コーナーを回り、実験したらチェックして下さい！

＜池田小学校実験教室チェックシート：「人工雪、人工霜、雪のレプリカの顕微鏡写真を撮ろう」＞① 雪のレプリカを観察
A)手作り顕微鏡、白色照明（タブレットで撮影）
B)実体顕微鏡、マルチカラー照明② 人工雪の結晶を観察
A) 実体顕微鏡、白色照明
B) 実体顕微鏡、マルチカラー照明③ 簡易ルーペ顕微鏡とタブレットを使い顕微鏡写真撮影
A) 食塩の結晶（マルチカラー照明）B) 人工霜（白色照明）
C) 人工雪（白色照明）
テキスト P.8~P.9 を 参考に、3 倍ルーペの場合はタブレットを手で持って！

④ ドライアイスを使って作る人工霜を観察
A)

虫めがねで観察B)

タブレットで近接撮影⑤ かき氷と食塩を混ぜてマイナス 20 度の低温ができることを確認⑥ 雪の切り絵を落下させてみる（回転しながらヒラヒラ落ちるのをタブレットで動画撮影）
右回りに回転回

左回りに回転回

回転しない回

この実験のあとすぐ指の消毒（しょうどく）
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