井戸水や湧き水は、なぜ夏は冷たく、冬は温かく感じるの？
― 水ではなく、まわりの空気のほうが動いています
夏に飲むと驚くほど冷たいのに、冬に手を入れるとほんのり温かい。まるで季節に合わせて温度を変えているようですが、実は逆です。水の温度は、ほとんど変わっていません。大きく変わっているのは、あなたの側なのです。
真夏の山道を歩いていて、道ばたの湧き水に出会います。手をひたすと、氷水のように冷たい。「山の水はやっぱり冷たいなあ」と思います。
ところが同じ場所へ、真冬に来てみます。あたりは霜で真っ白なのに、湧き水からはうっすら湯気が上がっている。手を入れると、外の空気よりずっと温かいのです。
季節ごとに水温を切りかえる装置など、地面の下にはありません。では、何が起きているのでしょうか。
理由は、大きく2つだけです
金属なら熱はすぐ伝わりますが、土や岩はけた違いに遅い物質です。地表の暑さや寒さは、下へ向かってゆっくりとしか進めません。
夏の暑さが数メートル下へ進むころには、もう冬の寒さが追いかけてきます。両者が打ち消し合い、深いところでは温度がほとんど動かなくなります。
この2つが重なった結果、地下の水は一年を通してほぼ同じ温度を保ちます。その温度は、その土地の一年の平均気温にとても近い値になります。日本の多くの平地なら、だいたい15℃前後です。
「冷たい」と感じているのは、水ではなく差のほう
15℃の水を、気温33℃の真夏に触れば、体は「冷たい」と判断します。同じ15℃の水を、気温3℃の真冬に触れば、今度は「温かい」と感じます。水は何も変えていません。変わったのは、比べる相手である空気のほうです。
つまり湧き水は、季節に合わせて動いているのではなく、季節に合わせて動くことを拒んでいるのです。まわりが上下に大きく振れるなかで、そこだけが止まっている。だから、いつでも反対向きに感じられます。
暑さ寒さは、どこまで潜れるのか
地表の温度は、一年のあいだに大きく上下します。その波は地面の中へ伝わっていきますが、進むにつれてどんどん弱くなります。図1は、そのようすを表したものです。
目安として、地面の中では深さ2メートルほど進むごとに、温度の振れ幅はおよそ3分の1へ減っていくとされています。ですから深さ10メートルまで来ると、地表で20℃以上あった年間の振れ幅は、1℃にも満たない大きさになってしまいます。
おまけに、季節が「遅れて」届きます
弱くなるだけではありません。地中では、暑さ寒さの到着そのものが遅れます。深さ数メートルの地点に夏の暖かさが届くのは、地上が夏を終えたずっとあとです。
そのため地面の浅いところでは、「地上の秋がいちばん暖かい」といった、季節がずれた状態が生まれます。トンネルや洞くつの中がひんやり感じられるのも、同じ理由の親せきです。
地下の温度が一年中ほぼ一定であることは、そのまま利用価値になります。夏は外より冷たく、冬は外より温かい相手と熱をやりとりできれば、冷やすのも温めるのも少ない力ですみます。地中に管を埋めて熱を交換するしくみは、この性質を使ったものです。
地下深くには、地球そのものが持つ熱があります。目安として、深さ100メートルにつき3℃ほど温度が上がっていくとされています。数十メートルまでは年平均気温に近いままですが、それより深くなると、今度はじわじわと温かくなっていきます。
まとめ
湧き水の温度は、季節に合わせて変わっているのではありません。土が熱を伝えるのが遅いために、地表の暑さも寒さも深いところまでは届かず、その土地の年平均気温のまま止まっているのです。夏に冷たく冬に温かいのは、水ではなく、まわりの空気が動いた結果です。
湧き水は、季節を追いかけていません。
季節から取り残されているだけです。
地面の下の熱をもっとたどると 温泉は、なぜ熱いの？ にたどりつきます。同じ温度なのに感じ方が変わる話は なぜ金属は木より冷たく感じるの？ が、空気と地面の温度差が水を生む話は 朝の草はなぜ濡れているの？ がくわしいです。
- 庭の土に、深さ5センチと深さ30センチの穴をあけ、料理用の温度計をそれぞれ刺して10分待ちます（自分の土地以外で掘るときは、管理者の許可を得てください）。
- よく晴れた日の昼と、日が沈んだあとの2回はかります。浅いほうは大きく上下し、深いほうはほとんど動かないはずです。
- 近くに湧き水や井戸があれば、季節を変えて2回、水温をはかってみます。気温には何十度も差があるのに、水温の差はごくわずかだと確かめられます。
わずか30センチでも差ははっきり出ます。深く掘れないときは、日陰の地面と日なたの地面で比べるだけでも、土が熱をためこむようすが見えてきます。
もっと知りたい人へ ― 用語・数式・教科書とのつながり中学理科から大学の専門科目まで、どのレベルの話かを明示しています
- 中学中学校の理科で習う範囲
- 高校高校の「物理基礎・地学基礎」で習う範囲
- 高校＋高校の発展、または教科書のコラム扱いの内容
- 大学高校では習わない、大学の専門科目（伝熱工学・水文学）の内容
- 研究大学でも「定説」として教わらない、いま研究者が調べている最中の話
中学用語：この現象には名前があります
- 地中温度（地温）：地面の中の温度のことです。気象台では、深さごとに長年の観測を続けています。
- 熱の伝わりやすさ（熱拡散率）：温度の変化が物の中をどれだけ速く広がるかを表す数です。土はこの値が小さく、金属は大きい物質です。
- 年平均気温：その土地の一年分の気温を平均した値です。深い地中の温度は、これに近い値へ落ちつくことが知られています。
- 地温勾配：深くなるほど地球内部の熱で温度が上がっていく、その上がり方を表す言葉です。
中学高校式で確かめる：暑さ寒さは、地下何メートルまで届くのか
一年の温度の波が地面へしみこむとき、その振れ幅は深さとともに小さくなります。「もとの3割ほどまで弱まる深さ」を求めてみます。土の熱の伝わりやすさは、しめった土でおよそ0.5平方ミリメートル毎秒とされています。
| 記号ア：土の熱の伝わりやすさ | 0.5（単位は平方ミリメートル毎秒） |
| 記号アの2倍にした値 | 1.0（単位は平方ミリメートル毎秒） |
| 記号イ：1年の長さ | 31500000（単位は秒） |
| 円1周分を表す数の2倍 | 6.28（単位なし） |
| 1年を、波の進み具合の目安に直す | 31500000 ÷ 6.28 ≒ 5020000 |
| しみこむ深さの2乗を出す | 1.0 × 5020000 ＝ 5020000 |
| 2乗してこの値になる数をさがす | 2240 × 2240 ＝ 5017600 |
| ミリメートルをメートルに直す | 2240 ÷ 1000 ＝ 2.24 |
記号でいえば、しみこむ深さは「記号アの2倍を、波の進み具合で割った値」の平方根です。単位は長さ、つまりメートルになります。得られた約2.24メートルが、振れ幅がもとの3割ほどまで弱まる深さです。
| 深さ10メートルは、その何倍か | 10 ÷ 2.24 ≒ 4.5 |
| 4.5倍の深さでの弱まり方 | 0.011（この割合になるとされる） |
| 地表の振れ幅を12℃としたときの残り | 12 × 0.011 ≒ 0.13 |
つまり深さ10メートルでは、一年の温度の振れ幅がおよそ0.13℃しか残りません。温度計の目もりでは、ほとんど動いていないように見える大きさです。
高校高校＋なぜ「遅れ」も生じるのか
高校熱は、温度の高いほうから低いほうへ、温度差に応じた速さで流れます。地表が暖まると、そのすぐ下へ熱が流れ、そこが暖まると、さらに下へ流れます。バケツリレーのように受けわたすので、深いところほど到着が遅くなります。
高校＋この遅れは、深さに比例して大きくなります。さきほど求めた約2.24メートルごとに、季節はおよそ2か月ぶんずつ遅れて届くとされています。深さ約7メートルでは半年ずれるため、地上が真夏のときにその深さは真冬にあたる、という逆転まで起こります。
大学熱伝導方程式が、答えを一つに決める
地面を一様な半無限の物体とみなし、表面の温度が一年周期で上下すると置くと、内部の温度は熱伝導方程式の解として書けます。その解は「深さとともに指数関数的に振れ幅が減り、同時に位相が深さに比例して遅れる波」になります。振れ幅の減り方と遅れ方が、同じ長さの尺度で決まるのがこの解の特徴です。上で計算した約2.24メートルが、その尺度にあたります。実際の地面は層ごとに性質が違い、雨水の出入りや積雪もあるため、観測値は解から少しずれます。
研究まだはっきりとはわかっていないこと
- 地中温度は、気候の記録になるか。 深い井戸の温度分布には、過去数百年の地表の温度変化が「なまった形」で残っていると考えられています。そこから当時の気温を復元する試みが続いていますが、地下水の流れが記録をどれだけ乱すのかは議論が続いています。
- 都市の地下は、どこまで暖まっているのか。 舗装や建物、地下の設備の熱によって、都市部の地中温度が周囲より高くなる現象が報告されています。その広がりや、地下の水にすむ生き物への影響は、まだ十分にわかっていません。
- 地中の熱を、どこまで使えるのか。 地中と熱をやりとりする設備を密集させると、地面の温度そのものが年々ずれていきます。長い年月で見たときのつり合いの取り方は、いまも研究の対象です。
つまりこの記事の内容も、「いまわかっている範囲での説明」です。あなたの家のそばの地面が、この計算どおりにふるまう保証はありません。
教科書とのつながり（レベル別）
| レベル | 科目・単元 | この記事のどこ |
|---|---|---|
| 中学 | 理科・身のまわりの現象（熱の移動） | 土が熱を伝えるのは遅い、という話 |
| 高校 | 物理基礎（熱と温度）・地学基礎 | 熱の流れと、季節の遅れの説明 |
| 高校＋ | 物理（熱伝導の発展的な扱い） | しみこむ深さの計算と、半年ぶんの遅れ |
| 大学 | 伝熱工学・水文学（熱伝導方程式） | 振れ幅の減りと位相の遅れが同じ尺度で決まる話 |
| 研究 | 古気候学・都市の地下環境 | 地中温度から昔の気温を読む試み |
| ― | 生活とのつながり | 湧き水の温度、地中の熱を使った冷暖房 |
- 気象庁「地中温度（地温）の観測」および各地の地中温度の統計値
- 国立天文台編『理科年表』丸善出版（気温・地温および物質の熱的性質の項）
- 産業技術総合研究所 地質調査総合センター「日本の地温勾配・地殻熱流量に関する資料」
- H. S. Carslaw and J. C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids, Oxford University Press（周期的な表面温度に対する半無限体の解）
※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための目安・概算です。湧き水や井戸水は、見た目が澄んでいても飲用に適さない場合があります。飲む前に自治体の案内や水質検査の結果を確認し、指示に従ってください。