熱境界水層発生説

　シガの発生メカニズムについては、川底から発生するという説が一般的です。
　しかし川底にある石の表面温度は水温と大差なく、おまけに水は4℃以下では水温が高い
ほど比重が重くなるという水特有の逆転現象が起き、暖かい水は底へと沈みます。
冬に池の底で魚がじっとしているのも、池の底が一番暖かいからなんです。
　ということで、シガの川底発生説については、調べれば調べるほど疑問が湧いてきました。
"日の出と共に川底の氷が浮いて川面を流れる"という文章は神秘的でロマンチックにも
感じますが、文学的な表現で個人的には科学的根拠に乏しいと思っています。

そこで、川底発生説に替わる新たな説を考えてみました。

熱境界水層発生説
　水面の最上部には、非常に薄い(数mm)熱境界水層と呼ばれるものがあり、その水面温度
(表皮水温)は一般的にその下層よりも低くなると言われています。


　夜間の放射冷却により、河川の水温が下がると比重の軽い冷水は水面付近へと移動
します。さらに熱境界水層では、外気との接触等により水温が下がります。
熱境界水層では、外気との接触等により、表皮水温の低下は、最大で0.6℃になる
との結果を計算で求めました。(内訳：伝導0.2℃、放射0.3℃、蒸発0.1℃)
寒い冬の朝、池の表面に氷が張る光景を想像して頂くと理解しやすいと思います。
　これは海洋をモデルにした計算式ですが、河川でも水の流れが緩やかな場所では、
同じように水温の低下が起きています。
2013年12月中旬に行った事前調査で、久慈川(新夢想橋、七曲り)、および八溝川(下野宮)
の緩流部で0.4℃の表皮水温の低下を確認しました。(計算値は0.6℃)

　最低気温が-8℃を下回り、久慈川の流心水温が0.4℃程度まで低下すると、表皮水温は
0.0℃付近まで下がり、熱境界水層では氷の生成が始まります。ただし、この段階では、
下層の水温がまだ高いため、氷はすぐに解けてしまいます。
　久慈川の流心水温がさらに下がり、0.0℃に到達すると、熱境界水層でできた氷は解けず
にそのまま川面を流れ始めて、シガとなります。
シガ発生時に予想される表皮水温と流心水温の関係について図に示します。


　そして、川の急流部では流れの影響で氷の結合が壊され水深方向へも拡散、再び流れ
の穏やかな区間で成長を繰り返しながら集合体として体積を増します。

　シガは夜間でも流れることがありますが、多くの場合、流れ始める時刻は午前6～7時頃
です。熱境界水層は数mmと非常に薄くて外部環境に影響されやすく、久慈川の東側に
山が連なり、早朝太陽の光(放射光)が入る時刻が遅くなる矢祭山～袋田周辺でシガが
最も発生しやすいと考えています。

表皮水温の低下について詳しくお知りになりたい方はこちらをご覧下さい。

厳冬期の久慈川での表皮水温の検討
http://basashi-diary.blog.so-net.ne.jp/2013-10-12

　最後に、川底でのシガの発生は全く無いのでしょうか。
今まで考えられてきた川底発生説では、下記の条件が必要となりますが、私はどちらの
可能性も低いと思っています。
①川底温度 < 水温　川底温度がマイナスになり、川底に氷が付着
②川底温度 > = 水温　水温が極端な過冷却となり、川底に氷が付着

　しかし、私も水中の石に氷がまとわりついている様子は見ているので、そのメカニズムに
ついても少し考えてみました。
上記の熱境界水層で氷の生成が始まると、水中に氷の粒ができます。このようなコロイド
状態の水が水中の石にぶつかると、その部分の圧力が高まり、固体である氷に変化して
石に付着します。このようなメカニズムであれば、川底と水温に温度差がなくても水中の
石に氷が付着する可能性がありますが、これはあくまでも副次的な発生だと考えています。

コメント 4

参考になります。
by 袋田の住職 (2014-01-16 19:11) 

＞袋田の住職さん
先日のシガ発生時に流心水温と表皮水温を測定して、上のグラフと同じであることを確認しました。一度通説になってしまった川底発生説を否定するのは大変ですが、何とかして真実を伝えていきましょう。
by basashi (2014-01-16 21:46) 

そうですね、パンフレットや看板になっていると皆さん、それが正しいと思ってしまいます。でも、最近は、インターネットをしている人を中心に、認識が変わってきました。

by 袋田の住職 (2014-01-21 20:37) 

＞袋田の住職さん
いはキラTVへの出演は良い機会だと思っています。シガの事前発生予測だけでなく、持論も展開して良いとのことなので、この説のことも話そうと思っています。
by basashi (2014-01-21 21:46)