しもばしらはどうしてできるの？

仕組みの科学

霜柱の形成は「毛細管現象」と「凍結の繰り返し」という2つの物理過程の連動によって説明される。晴天で放射冷却が強い冬の夜、地表面付近の土は気温以上に急速に冷却されて0℃を下回る。日本科学未来館の解説によれば、まず土の表面近くの水分が凍結し、そのすぐ下から地中の水が土壌粒子間の細孔（キャピラリー）をつたってゆっくり上昇してくる。この現象が毛細管現象で、細いガラス管を水面に立てると水が管内を上る同じ原理だ。

上昇してきた水は凍結面の下側で次々と凍りつき、既存の氷柱を上方へ押し上げていく。この過程が一晩繰り返されることで、地表から数センチ〜十数センチの柱状の氷が生成される。重要なのは土壌条件で、東京大学溝口勝教授の土壌凍結講義でも、粒径や孔隙構造が適切な土（関東ロームのような火山灰土）でこそ毛細管が有効に機能する点が示されている。砂質土は粒径が大きく毛細管上昇力が弱く、粘土質は水分の移動が遅い。関東地方が霜柱の名所とされるのは、この土壌の絶妙な条件によるところが大きい。空気中の水蒸気が凍りつく霜（昇華凝結）とは発生源からして異なる。

歴史と発見

霜柱そのものは古来から日本の冬の風物詩として親しまれ、俳句の季語や子供の遊びの対象として文化に組み込まれてきた。学術的な研究の対象になったのは20世紀に入ってからで、農学・土壌物理学・気象学の交差領域で「土壌凍結（frost heaving・凍上）」として体系化された。日本では東京大学農学生命科学研究科の溝口勝教授らが「土壌の凍結」に関する研究を継続的に行い、農地凍害の防止や積雪・凍土の物理学的解析を進めている。

1990年代の造園学の研究では、霜柱発生の難易度に関わる土の物理性が定量的に分析された（造園雑誌1990年掲載論文『霜柱発生の難易に関与する土の物理性』・J-STAGE公開）。粒度分布・透水性・保水性・団粒構造といった土壌パラメータと霜柱形成の関係が明らかにされ、農業土木や造園設計の実務にも応用されている。海外では北欧・北米での「フロストヒーブ」研究が古くから積まれ、道路・鉄道・パイプラインの凍上被害対策として地盤工学の一分野を形成している。日本の関東ローム地帯は世界でも霜柱観察・研究の一大フィールドとなっている。

もう一歩先

霜柱は美しい自然現象であると同時に、農業と土木の分野では深刻な被害要因でもある。冬野菜や麦の根を持ち上げてしまう「凍上害」は、関東・東北・北海道の農家にとって古典的な課題で、藁マルチや被覆資材による対策が伝統的に行われてきた。土木の分野でも、寒冷地の道路舗装が春先に破損する「霜どけ被害」は凍上と融解の反復による地盤変位が主因で、寒地土木研究所や大学の研究室が対策工法を開発している。凍上のメカニズムは霜柱と本質的に同じで、身近な自然観察が国土インフラの科学に直結している。

もう一つ興味深いのは、シソ科の多年草「シモバシラ（学名 Keiskea japonica）」の存在だ。この植物は冬に枯れた茎の根元に霜柱のような氷の柱ができることで知られ、地中水由来の霜柱とはメカニズムが異なる（茎の中の水が凍結・膨張して側面から噴出）が、和名の由来ともなっている。気候変動により東京都心などでは霜柱を見る機会が減っているとも報告される。都市化と温暖化の複合影響で、身近な冬の風物詩が消えつつある現状は、地域気候の変化を実感する指標にもなる。