晴れた日に水やりすると、水滴がレンズになって葉が焼けるって本当？
― ふつうの葉では、光の集まる点は葉のずっと下にあります
「日なたで葉に水をかけると、水滴が虫眼鏡になって葉が焼ける」。園芸ではよく聞く言い伝えです。ところが、水滴の形から光の通り道を計算すると、ふつうの葉では光は葉の上で一点に集まりません。焼ける可能性があるのは、ある特別な条件がそろったときだけでした。
晴れた日の昼、ベランダの鉢植えがぐったりしています。じょうろを手に取ったところで、「昼間に葉に水をかけると焼けるよ」と言われた覚えがよみがえります。
たしかに、葉の上の水滴は日の光を受けて、小さなガラス玉のように光っています。虫眼鏡で紙が焦げるのと同じことが、葉の上で起きても不思議ではなさそうです。
でも、本当にそうでしょうか。水滴はたしかに光を曲げます。問題は、曲がった光が「どこで」集まるかです。
ふつうの葉が焼けない理由は2つだけ
葉に乗った水滴は、まん丸ではなく、下が平らなおまんじゅう形です。この形のレンズは光をゆるやかにしか曲げず、集まる点は葉の数ミリ下になります。葉の厚さは多くが0.5mm以下なので、光は集まりきる前に葉を通り抜けます。
水滴の下の明るさは、計算すると日なたの2倍に届きません。しかも水は蒸発するときに熱を奪います。水滴が乗っている場所は、むしろ周りより冷やされる側にいます。
虫眼鏡で紙が焦げるのは、光をちょうど紙の上の小さな一点に集めているからです。ピントが合っていなければ、同じレンズでも紙は焦げません。水滴の場合、このピントがほとんどいつも葉から外れています。
光は、どこに集まっているの？
光は空気から水に入るとき、境目で向きを変えます。水滴の上の面は丸くふくらんでいるので、外側を通る光ほど内側へ曲げられ、光の束はしぼられていきます。ここまでは虫眼鏡と同じです。
違うのは、しぼり方の強さです。図1の左を見てください。半球形の水滴でも、光が一点に集まるのは葉の表面から約6mmも下です。水滴が平たくなるほど、集まる点はさらに深くなります。葉の表面では、光の束はまだ少し細くなっただけです。
では、焼けることは一度もないの？
2010年、ハンガリーの研究チームがこの言い伝えを実験で確かめました。カエデやイチョウのような、表面のなめらかな葉に水滴を乗せて強い日なたに置いても、焼けた跡はできませんでした。
ところが、水に浮かぶシダの一種では、葉に焼けた跡ができました。この葉には、水をはじく細かい毛がびっしり生えています。水滴は毛の上にまん丸のまま乗り、葉から少し浮きます。丸い粒のレンズは光を強く曲げ、集まる点は粒のすぐ下になります。その位置に、ちょうど葉の表面が来てしまうのです（図1の右）。
研究チームは、ガラス玉を葉に乗せた場合にも焼けることを確かめています。つまり「水滴は焼かない」のではありません。「ふつうの葉の上の水滴は、ピントが合わない」というのが正確な答えです。
真夏の昼に水やりを控えるとよいとされるのは、主に別の理由です。日なたに置いたホースの中の水は、お湯のように熱くなっていることがあります。それをいきなり根元にかけると、根を傷めるおそれがあります。また、日中は水がすぐ蒸発して、植物に届く量が減ります。しおれて困っているときは、ホースの水をしばらく流して冷たくなってからかければ、昼でもかまわないとされています。
まとめ
葉の上の水滴は、たしかにレンズです。けれども下が平らな形のため、光の集まる点は葉の数ミリ下にずれ、表面の明るさは日なたの2倍にも届きません。焼けるのは、水滴が毛で持ち上げられ、まん丸のまま葉から浮いている、特別な場合でした。
レンズは、ピントが合ってはじめて焦がせる。
ふつうの葉の上の水滴は、ピントが合っていません。
光をちょうど一点に集めると何が起きるかは、虫眼鏡で紙が燃えるのは、なぜ？で詳しく説明しています。水と空気の境目で光が曲がるしくみは、水に入れたストローは、なぜ折れて見えるの？も参考になります。
- 透明なクリアファイルの上に、スポイトで水を1滴たらします。晴れた日に、その下へ白い紙を置きます。
- ファイルを紙から少しずつ持ち上げ、水滴の影の中にできる明るい点が、いちばん小さくなる高さを探します。
- 次に、水滴をファイルにぴったり置いたまま紙に重ねます。明るい点がどうなるか比べてみましょう。
明るい点がいちばん小さくなるのは、ファイルを数ミリから1cmほど浮かせたときのはずです。ぴったり重ねると点はぼやけます。これが、ふつうの葉で起きていることです。太陽を直接見ないように注意してください。
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」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（光学・界面科学）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
- 屈折：光が空気から水のように別のものへ進むとき、境目で向きを変えること。
- 焦点：レンズを通った平行な光が集まる点。ここに紙を置くと、いちばん明るく熱くなります。
- 接触角：水滴のふちで、葉の面と水面がつくる角度。小さいほど水滴は平たく、大きいほど丸くなります。
中学高校式で確かめる：葉の表面は、どれくらい明るくなる？
直径4mmの半球形の水滴を考えます。葉の上の水滴としてはかなり丸いほうで、光を集めるには有利な形です。それでも葉の表面がどれくらい明るくなるかを計算します。
| 記号で書くと | f ＝ n × R ÷ ( n − 1 ) C ＝ ( f ÷ ( f − h ) )² |
| 言葉で書くと | 焦点までの深さ ＝ 水の屈折率 × 水滴の丸みの半径 ÷（屈折率 − 1）。表面の明るさの倍率 ＝（焦点までの深さ ÷ 葉の表面から焦点までの距離）の2乗 |
| どこから来る式か | 上の式は、空気と水の丸い境目1か所での屈折（スネルの法則を、軸に近い光について近似したもの）から出ます。下の式は、光の量が変わらないまま、光の束の断面積が縮んだぶんだけ明るくなる、という関係です |
| f | 水滴のてっぺんから焦点までの深さ（単位は mm） |
| n | 水の屈折率（単位なし） |
| R | 水滴の丸い面の半径（単位は mm） |
| h | 水滴の高さ（単位は mm） |
| C | 葉の表面の明るさが、日なたの何倍か（単位なし） |
| 水の屈折率 | 1.33 |
| 水滴の丸い面の半径（半球形・直径4mm） | 2 mm |
| 水滴の高さ（半球なので半径と同じ） | 2 mm |
| 屈折率 × 半径 | 1.33 × 2 ＝ 2.66 |
| 屈折率 − 1 | 1.33 − 1 ＝ 0.33 |
| 焦点までの深さ f（mm） | 2.66 ÷ 0.33 ≒ 8.06 |
| 葉の表面から焦点まで（mm） | 8.06 − 2 ＝ 6.06 |
| 光の束の幅の縮み（逆数） | 8.06 ÷ 6.06 ≒ 1.33 |
| 明るさの倍率 C | 1.33 × 1.33 ≒ 1.77 |
焦点は葉の表面から約6mm下にあり、葉の厚さ（0.5mm以下）よりはるかに深い位置です。葉の表面の明るさは日なたの約1.8倍にとどまります。虫眼鏡はピントの合った一点で日光を何百倍にも集めるとされ、それとは、まったく桁が違います。しかもこの明るさの中には、水が蒸発で熱を奪う効果が加わります。
高校高校＋なぜ丸い粒だけがピントを合わせられるのか
高校高校物理では、屈折の法則（屈折率の比が、入射角と屈折角の正弦の比に等しい）と、凸レンズの焦点距離を習います。レンズの面の曲がり方が強いほど、焦点距離は短くなります。平たい水滴は面の曲がりが弱いので、焦点が遠くなります。
高校＋まん丸の水滴は、光が入るときと出るときの2回曲げられます。軸に近い光で考えると、焦点は粒の後ろ側の面から、ちょうど半径ほど離れた位置に来ます。毛で葉から半径ほど浮いた水滴では、焦点がちょうど葉の表面に重なります。これが図1の右で起きていることです。
大学近軸近似の限界と、ぬれの物理
この記事の計算は、軸に近い光だけを扱う近軸近似です。実際の水滴では、ふちを通る光ほど手前に集まる球面収差が大きく、焦点は一点ではなく縦に伸びた帯になります。正確に調べるには、スネルの法則で光線を1本ずつたどる光線追跡が使われます。水滴の形を決めるのは、表面張力と葉の表面のつり合いで、その角度は接触角と呼ばれ、ヤングの式で表されます。細かい毛や凹凸のある葉で接触角が150度を超える状態は、超撥水性と呼ばれます。
📖 式の導出や、さらに先の内容：スネルの法則（ウィキペディア） ／ 濡れと接触角（ウィキペディア）
研究まだはっきりとはわかっていないこと
- 野外で、どれくらいの頻度で起きているのか。 実験では焼けることが確かめられましたが、野外の植物の葉焼けのうち、水滴が原因のものがどれくらいあるのかは、よくわかっていません。
- 葉の毛は、光を集めないための形でもあるのか。 毛のある葉の多くは水滴を浮かせますが、毛の長さや密度によっては焦点が葉から外れます。植物の毛の形と光の関係は、まだ調べられ始めた段階です。
- 水滴が他の害を運ぶかどうか。 濡れた葉が病気にかかりやすくなる、という別の理由で昼の水やりを避ける考え方もありますが、条件ごとの影響の大きさは植物によって違うとされています。
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。ふつうの葉では心配しすぎなくてよい、というのが現時点での実験の答えです。
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1年「光の屈折」「凸レンズ」 | 水滴がレンズになる、焦点の位置 |
| 高校 | 物理「屈折の法則」「レンズ」 | 平たいレンズほど焦点が遠い理由 |
| 高校＋ | 物理（発展）球面での屈折 | 丸い粒の焦点が、粒の半径ほど後ろに来ること |
| 大学 | 光学、界面科学 | 球面収差・光線追跡、接触角とヤングの式 |
| 研究 | 植物生理学、生物の光学 | 野外での頻度、葉の毛と光の関係 |
| ― | 生活とのつながり | 昼の水やりは、ホースの熱い水に気をつければよい |
- Egri, Horváth, Kriska, Horváth (2010) Optics of sunlit water drops on leaves: conditions under which sunburn is possible. New Phytologist 185
- ヘクト『光学』（丸善）
- ド・ジェンヌ、ブロシャール＝ヴィアール、ケレ『表面張力の物理学』（吉岡書店）
- 国立天文台 編『理科年表』（丸善出版）水の屈折率
※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。水滴の形や葉の性質によって結果は変わります。実験のときは、太陽やレンズで集めた光を直接見ないでください。