研究の動機

　雨上がりの乾いた地面が「皮」のようにめくれていた。不思議な自然現象だと思い「地面の皮」と名付けた。「地面の皮」は、家や学校の周囲の限られた場所でしか見られない。なぜ地面が「皮」のようにめくれるのか、研究することにした。

追究1:どのような場所に、どのような「地面の皮」ができるのか調べる

〈1〉どのような場所にできるのか

　校内を調べると、「地面の皮」は、水のたまった後で乾燥する所にできるようだ。小学校の学区内ではどうか。全校児童にアンケートをして調べたら、「地面の皮」は学区内のさまざまな場所でも見られる。実際にその場所に行って観察すると、 「地面の皮」は色の違いで大きく2種類に分けられる。一つは緑色をした「緑色の皮」。これは降った雨水があまり流れずにたまりやすく、いつも地面が湿っている所にできている。もう一つは土の色そのままの「土色の皮」だ。これは逆に、雨水が流れ、その流れが終わって水がたまる所にできやすい。

〈2〉「緑色の皮」「土色の皮」は何でできているのか

　「皮」の表面を顕微鏡で観察した。「緑色の皮」には緑色をした「藻」が多数確認できた。「土色の皮」は細かい粒の土(粘土)でできている。

追究2:「緑色の皮」ができるわけを調べる

【仮説1】藻が縮み、土の表面を縮ませるから「皮」ができる。

　ワカメなどの海藻は乾燥すると小さくなる。理科室前の「観察池」で採取したアオミドロを乾燥させて、元の長さからどれだけの長さに縮んだのか、ノギスで測定した。その結果、アオミドロは乾燥すると、約50%に縮むことが分かった。「緑色の皮」の藻を採取し、乾燥させて顕微鏡で観察した。乾燥した藻は細くなり、互いにくっつき固まっていた。藻の縮みが本当に地面をめくり上げるのか。それを確かめるために、コピー用紙に水で湿らせた「焼きのり」を貼り、乾燥後の様子を調べた。のりが乾燥して縮むと、確かに用紙は極端にのりの方に反り返った。しかし、なぜ地面の表面だけがめくれて「皮」になるのか。

【仮説2】「皮」の表面にだけ藻が生える。

　「皮」の断面をデジカメで撮影し、拡大して観察した。やはり「皮」の表面にだけ藻が生えていた。それはなぜか。よく観察して、「緑色の皮」にいろいろな厚さがあることを発見した。しかも、厚い「皮」は土の粒が大きく、薄い「皮」は粒が小さい。

【仮説3】土の粒が大きいほど、藻が下まで生えやすくなる。

　それを確かめる実験をした。①学校の花壇の土を「ふるい」で、粒の大きさが中くらいの粒中(0.149~0.177mm)、小さな粒小(0.149mm以下)にした。さらに粒の細かな土として市販の粘土(0.01mm以下、乾燥後に乳鉢で粉状にした)を用意した。この3種類の土をそれぞれ金属皿に入れて、上からピペットで色水をたらした。その結果、細かな粘土の粉にたらした色水はほとんど下にしみ込まず、その場で周囲の粉を取り込んで固まった。②その固まった粘土粉が「皮」のようなものと考え、さらに水滴をたらして観察した。水滴は固まりの中にはしみ込まず、表面で広がった。「緑色の皮」でも同様に、土の粒が細かいと、藻は表面にとどまってしまうのだ。さらに、藻が地面下のどこでとどまるかには、土の粒の大きさだけでなく、光も原因ではないかと考えた。土の粒が大きいほど、光は下まで届き、藻も下まで生えるのではないか。水槽の藻は日なたに置いた方がよく生える。

【仮説4】土の粒が大きいほど、光が下に届く。

　3種類(粒中、粒小、粘土粉)の土をシャーレの底面に厚さ1mmから5mmまで、1mmずつ変えて敷いた。上からLEDライトを当て、それぞれの土を透過した光の強さをルクス計で測った。その結果、粒中・粒小の土では、透過光は弱まりながらも厚さ5mmまで届いた。粘土粉は厚さ1mmで粒中・粒小よりもかなり弱く、2mm以降は極端に透過光が弱まった。

追究3:「土色の皮」ができるわけを調べる

　土砂がたまって地層ができるときは、粘土が一番上にたまる。その粘土が乾燥することで、藻と同じように縮み「土色の皮」ができるのではないか。

【仮説1】一番上にたまった粘土が縮むことが原因ではないか。

①3種類の土を十分に湿らせ、空気鉄砲の筒を使って円柱形にした。その後、乾燥させたときの〈縮み率=(乾燥後の長さ/湿っているときの長さ)×100(%)〉を調べた。粘土粉の場合は粒小の約2倍、粒中の約4倍も大きく縮むことが分かった。
②粘土粉が乾燥していくときの、粘土の粒の動きを顕微鏡で観察した。乾燥すると粘土の粒同士がくっつき合い、粘土は縮む。

　しかし粘土だけではなく、粒小や粒中の土も乾燥するとある程度は縮む。粘土の縮みだけで「土色の皮」ができるとは考えにくい。「土色の皮」ができている場所を観察すると、周りに粘土が多くあり、雨水で粘土が流れ込んで元の硬い粘土の上にたまり、乾くことを繰り返しているようだ。

【仮説2】固まった粘土の上にたまった粘土が乾燥すると「土色の皮」になるのではないか。

　固まった粘土の上に、粘土を水に溶いた粘土液をたらし、乾燥させると「土色の皮」ができた。

　しかし、固まった粘土に後の粘土はくっつかないのか。一度固まった粘土は崩れにくいと考え、乾燥して固くなった粘土片を試験管の水に入れて観察した。粒小の土片は水に入れた瞬間から崩れたのに、粘土片は5分たっても形を保っていた。やはり、後からたまった粘土が「皮」になる。でも、なぜ「土色の皮」は反るのか。

【仮説3】粘土の表面とその下で、乾燥による縮み方に差ができるため反るのではないか。

　傾斜をつけて置いた四角い容器の片側から粘土液を注ぎ、厚さ1~5mmにたまった粘土の厚さごとの乾燥時間を調べた。その結果、粘土は厚さによって乾燥時間が異なり、表面が乾燥していても、その下はまだ湿っている。先に乾燥した表面だけが大きく縮むことが、「土色の皮」が反る原因だ。「土色の皮」の表裏を観察すると、確かに裏側はまだ湿っていた。さらに気づいたのは「土色の皮」がいつもはっきりとめくれ、厚さも2~4mmと、ほとんど差がないという点だ。

追究4:なぜ「土色の皮」は、はっきりとはがれいつも厚さが一定なのかを調べる

　5枚のシャーレに、粘土液を厚さ1、2、3、4、5mmに入れて乾燥させた。厚さ2、3、4mmの場 合に「土色の皮」ができた。その原因を考えた。①厚さ1mm:薄すぎて乾燥や縮み方に差が出ないために「皮」ができない。
②厚さ5mm以上:表面と下で乾燥に差は出るが、厚すぎて変形しにくい。
③厚さ2~4mm:表面と下で乾燥、縮み方の差ができ、反り上がる力が生じる。「皮」ができるのは、それが「適度な厚さ」だからだ。......しかしなぜ、はっきりとはがれるのか。
そこで「土色の皮」の裏面を顕微鏡で観察し、無数の「穴」が開いているのを発見した。粘土が乾燥するときに、中に含まれていた空気が抜けた穴ではないか。粘土液の厚さを変えて乾燥させ、裏面にできた穴の数を調べた。粘土が厚くなるほど、穴の数は増えていた。たまった粘土はある程度厚くなると、表面が先に乾燥して、中に含まれていた空気が表面から抜け出せなくなり、裏面から抜ける。その空気が粘土の下面にわずかなすき間を作るため、「皮」がはっきりとはがれるのだ。

感想と課題

　いつも目にする地面の「皮」に、こんな秘密が隠されているとは思いもよらなかった。自然の不思議さや奥深さを強く感じた。身の回りの現象を「当たり前だ」と簡単に考えず、科学の目で自然の「真実」を明らかにしていこうと思う。