北海道の雪氷No.38（2019）

Annual Report on Snow and Ice Studies in Hokkaido

比表面積測定法に関する諸問題―試料のタンピングおよび含水の影響に関する考察―
Some issues for measuring specific surface area of snow
― Effect of tamping and water content of snow samples ―池浦 有希 1，八久保 晶弘 1，山口 悟 2，青木 輝夫 3
Yuki Ikeura1, Akihiro Hachikubo1, Satoru Yamaguchi2, Teruo Aoki3
Corresponding author: hachi@mail.kitami-it.ac.jp (A. Hachikubo)
積雪比表面積（SSA）を光学的手法（例えば IceCube などの市販装置）で測定する際，場合によっては試料を専用容器にタンピング（締固め）する場合がある．この時，積雪粒子が壊れたりくっついたりして SSAが変化する可能性がある．本研究では，タンピングによる SSA の変化について，ガス吸着式装置（BET 装置）および IceCube を用いて調べた．また一方では，IceCube の SSA 値に及ぼす試料の含水効果について，ガス吸着式装置による SSA 値と比較し考察した．
１．はじめにIceCube の特徴としては，短時間で比較的容易積雪粒径（積雪粒子の粒径）は，積雪アルベドに測定可能なことが挙げられる．しかしながら，と密接な関連がある．しかしながら，積雪粒径に近赤外領域での吸収率から間接的に積雪 SSA をは分布があり，ルーペ等を使用した目視観察にお見積もる方法であり，真に正しい SSA 値が求めいては，測定者によって値にばらつきが出てしまられているかどうかを確認する方法がない．つまう．しかも，積雪粒子は雪質によって様々な形状り，メーカーによる初期校正を信じるしかない．

であるため，粒子のどの部分を粒径の代表値とし一方，我々の研究グループで開発したガス吸着て測定すべきか，の指針が定まっていない．この法を測定原理とする積雪 SSA 測定装置（BET 理

ように，積雪粒径は測定しやすい物理量ではある論を基礎としており，簡便のため以降は BET 装ものの，その後の取り扱いが困難である．

置と表現する）は，吸着ガスであるメタンが積雪一方，粒径に対して比表面積（Specific Surface

試料の表面に吸着した量を見積もり，メタンの分Area: SSA），すなわち「単位質量あたりの試料の子占有面積との積によって積雪 SSA を求めるこ表面積」という考え方がある．SSA には積雪粒径とができる．図 1 に BET 装置の概略図を示す．のように分布がなく，ある試料の SSA の真値は装置本体は大型のノート PC 程度であり，IceCube一つである．そして，積雪 SSA はアルベドとの相関が高い，との認識が一般的に浸透してきた．
ゆえに，積雪粒径よりも積雪 SSA の重要性が相対的に大きくなってきた，と言える．
現在，市販装置である IceCube1)による積雪 SSA測定が主流になりつつある．IceCube 内には積分球があり，上部に近赤外線のレーザー光源，側面にセンサがある．また，積分球の下部に試料容器を収める開口部がある．測定時には，レーザー光源から試料容器に近赤外線を当て，その反射率を図１測定することで，間接的に SSA を求めている．

比表面積測定装置

北見工業大学
Kitami Institute of Technology
2
防災科学技術研究所
National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience3
国立極地研究所
National Institute of Polar Research
1－23－Copyright©2019 公益社団法人日本雪氷学会北海道支部
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Annual Report on Snow and Ice Studies in Hokkaidoと比較してコンパクトさに遜色はない．測定誤差であり，また海氷上の積雪は氷点下であっても塩は 3%程度であり ，同 10%の IceCube と比較す

分効果で液体水を含むことがあり，注意を要する．

ると格段によい．ただし，フィールド調査では調そもそも，IceCube でのぬれ雪の SSA 測定値はど達しにくい液体窒素を使用し，真空ポンプの動作うなるのか，についてはよくわかっていない．こに商用電源が必要，との欠点を有する．また，れに対し，BET 装置は試料がぬれていても液体水

IceCube と比較して測定に時間がかかる（1 試料を凍結させて測定することになるため，氷表面とあたり約 1 時間）という問題点がある．

水の表面を合わせた比表面積を求めることにな

2)

IceCube のマニュアルによれば，IceCube の校る．また，脱水すれば液体水を除いた氷粒子（雪正にはガス吸着法が使用されている．すなわち，粒子）部分のみの比表面積となる 3)．そこで，両正しく校正された IceCube の使用が，測定の手軽者の装置の比較によって，IceCube でぬれ雪のさ等の理由で積雪 SSA 測定の最適な選択となる．

SSA を測定するとどうなるか，を調べた．

しかしながら，IceCube には測定上のいくつかのまた一方では，試料が低密度の新雪の場合，問題がある．

IceCube では光学的距離が不足するため，200 kg

IceCube の測定可能温度範囲は，マニュアルにm-3 程度までのタンピング（圧密）がマニュアルよれば-40℃から-5℃の範囲である．これは「ぬれでは推奨されている．しかしながら，タンピング

雪の SSA は測定できない」
ことを暗に示唆する．

により積雪粒子の破壊や結合が起こり，SSA が変とすると，本州の平地の積雪の大半は測定対象外化する可能性がある．そこで，実験温度条件を-18～+5℃まで変化させながら，タンピング前後の積

IceCubeとBETのSSA
雪 SSA の変化についても調べた．

10

BET SSA [m²/kg]

自然積雪
4.0％

脱水

加水
10.4％
脱水
自然積雪
3.9％

5脱水

自然積雪
3.4％

2019年3月13日
2019年3月14日
2019年3月17日

005

10

IceCube SSA [m²/kg]
図２

IceCube と BET 装置によるぬれざらめ雪およびその脱水試料の SSA の相関－24－Copyright©2019 公益社団法人日本雪氷学会北海道支部
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２．実験手法

３．結果と考察（１）含水の影響（１）含水の影響

実験日（2019 年 3 月 13，14，17 日）ごとに異IceCube と BET 装置による積雪 SSA 測定値のなるぬれざらめ雪試料の SSA を，IceCube と BET比較を図 2 に示す．
図中の▲は 3/13 で気温-0.8℃，装置でそれぞれ求めた．また，この試料を遠心分◆は 3/14 で気温 0.0℃，●は 3/17 で気温+0.8℃であ離機（5000 rpm，30 秒）で脱水した試料についてる．初期状態の雪質は，全てぬれたざらめ雪（自も SSA を求めた．3/17 の試料のみ，0℃の水をス然積雪）であり，含水率はいずれも 3～4%程度でプレーで一様に散布し，よく混ぜることで含水率あった．このぬれざらめ雪の SSA については，を増加させた試料も作成した．試料の含水率につ3/13 のデータを除いて，IceCube による SSA はいては秋田谷式含水率計で測定した．したがって，

BET 装置による SSA よりも若干小さめになって試料は以下の 3 種類となる．

いる．ここで，脱水操作により含水率が 0%とな①ぬれ雪状態の自然積雪試料（ぬれざらめ雪）った試料の SSA に着目すると，これも 3/13 のデ② ①を遠心分離機で脱水した試料ータを除いて，IceCube・BET 装置ともに SSA 値③ ①に 0℃の水をスプレーで加水した試料はほぼ等しかった．また，3/17 の試料では初期状態から加水により含水率を増加させたところ，含（２）タンピングによる影響

水率は 10%近くまで増加し，IceCube・BET 装置いくつかの雪質（新雪，しまり雪，こしもざら

ともに SSA 値は同程度の低下がみられた．

め雪，しもざらめ雪，ざらめ雪）について自然積

図 2 中の自然積雪および脱水状態の 2 点を結雪を採取し，野外では外気温下でタンピングしな

ぶ直線の傾きは，両軸の１：１の線（図中の灰色い状態，およびタンピングした状態の試料についの線）の傾きと比較すると，いずれの試料も小さて，IceCube および BET 装置で SSA を測定した．

くなっている．そして，脱水状態のぬれざらめ雪

試料によっては，-18℃の低温室において測定を実施した．タンピングする際の気温については，サーミスタ温度計で測定した．

は，ざらめ粒子間で懸垂している液体水が全て取り除かれ，曲率の小さい氷の表面（例えば粒子間ざらめ雪
新雪
しまり雪
こしもざらめ雪
しもざらめ雪403020SSA差 [%]100-10-20-30-40-50-20-10010

気温 ［℃］
図３ 気温（測定準備の際の試料温度）とタンピング前後の気温とSSAの関係(BET) SSA 変化との関係－25－Copyright©2019 公益社団法人日本雪氷学会北海道支部
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Annual Report on Snow and Ice Studies in Hokkaidoのくびれ部分）も露出した状態であり，また含水にあった．ざらめ雪は例外的で，融点直下でもタしていなければ IceCube もおおむね正しく測定でンピングにより SSA は 1～2 割ほど増加している

きていると考えられる．

が，さらに高温環境下（0℃以上）では減少に転じ

BET 装置が自然積雪状態のぬれざらめ雪のどた．の部分を測定しているか，について考察する．

全ての雪質で共通する点は，温度が高くなるとBET 装置では，試料容器を液体窒素温度にした上タンピングにより SSA は減少する傾向である．

で測定するため，ざらめ粒子間で懸垂している液また，低温環境下で SSA が増加するのは，タン体水もほぼ瞬間的に凍結している．すなわち，ざピングにより積雪粒子を破壊したため，破断面がらめ雪粒子の表面に液体水が覆った状態の SSA表面積の増加に寄与したと考えられる．ただし，を測定していることになる．したがって，脱水前もともと SSA の大きい新雪では相対的にこの効の自然状態の SSA は脱水後の SSA より必ず小さ果が小さく，SSA はほとんど変わらなかったとみい．これを「ぬれざらめ雪の真の SSA 値」であられる．一方，高温環境下で SSA が減少するのるとすると，IceCube は図 2 に示すように，いずは，タンピングにより積雪粒子同士がくっついてれも過小評価していることになる．その理由とし表面積が減少したため，と考えられる．ざらめ雪ては，粒子間に懸垂する液体水が光学的によりは積雪粒子が大きいため，他の雪質と比較して，「黒く」みえることにより，近赤外領域の反射率0℃近辺でも積雪粒子の破壊による影響が相対的を過小評価していることが考えられる．に大きかった，と考えられる．

（２）タンピングによる影響【参考・引用文献】

試料を準備した際の気温とタンピング前後の

1） Gallet, J.-C., Domine, F., Zender, C. S. andPicard, G., 2009: Measurement of the specific

SSA 変化との関係を，雪質ごとに整理して図 3 に示した．なお，この結果は BET 装置のみで測定

surface area of snow using infrared reflectance inされたデータである．縦軸は，正の値であればタan integrating sphere at 1310 and 1550nm, The

ンピング後に SSA が増加し，負の値であれば SSA

Cryosphere, 3, 167-182.

が減少したことを示す．

2） Hachikubo, A., Yamaguchi, S., Arakawa, H.,
Tanikawa, T., Hori, M., Sugiura, K., Matoba, S.,

まず，気温が低い場合の新雪の結果に着目すると，タンピング前後の SSA 差は-2%であり，新雪

Niwano, M., Kuchiki, K. and Aoki, T., 2014:はタンピングによる影響をほとんど受けないこEffects of temperature and grain type on timeとがわかる．その一方では，融点直下ではタンピvariation of snow specific surface area, Bull.

ングにより SSA が 3～4 割ほど減少していた．他

Glaciol. Res., 32, 47-53.の雪質をみていくと，気温が低い場合，しまり雪・

3） 八久保晶弘，矢作大輔，山口悟，青木輝夫，

こしもざらめ雪・しもざらめ雪はタンピングにより SSA が逆に 2～3 割ほど増加している．
ただし，気温が 0℃近辺では新雪と同様，SSA は減少傾向

2018：積雪比表面積の測定―スラッシュ粒子の測定例―, 北海道の雪氷，37，15-18．

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