霜柱為什麼會從土裡長出來？
― 不是從上方降下，而是從下方被頂起來的
冬天的早晨，踩在地上會發出沙沙聲、一踩就碎的細長冰柱。那並不是從天上掉下來的。一般認為，那是土裡原本存在的水，沿著細小的縫隙被送往上方，在地面正上方不斷結凍所形成的。冰是在柱子的下端不斷增加的。所以柱子才會像是被從下方頂起來一樣，慢慢變長。
在晴朗無風的冬日早晨，走在校園角落或田邊，腳下會發出沙沙的聲音。
蹲下來一看，細長的冰柱密密麻麻地立著。高度約幾公分，呈白色，有些還微微彎曲。
仔細一看，柱子最頂端還頂著一小塊土。這正是不可思議的地方。
霜柱形成的原因，只有兩個
土壤顆粒之間，存在著比頭髮還要細得多的縫隙。水擁有一種特性，會自己順著這條細小的通道往上爬升。
爬升上來的水，會在地面正上方的低溫處結凍。由於結凍的位置一直維持在那裡，先前形成的冰就會被往上推。
只要這兩件事同時發生，柱子就會持續變長。柱子頂端會頂著一塊土，是因為一開始被抬起的地表表層，就這樣原封不動地被當成「屋頂」一路搬運上去。接下來依序說明。
水在越細的通道裡，能爬得越高
把細玻璃管的一端插入水中，水會自己順著管子往上爬升。管子越細，能爬得越高。這是水分子之間互相吸引的力，與水被管壁吸引的力，兩者達成平衡後所決定的現象。土壤顆粒之間的縫隙，也具有和這種細管一樣的作用。
在冬天的早晨，地面上這種「往上爬的水」就是冰的材料。地表的水結凍消失後，為了填補這個空缺，下方潮濕土壤裡的水就會被吸引著往上爬升。地面下方的溫度大多高於0℃，水還沒有結凍。也就是說，材料可以源源不絕地從下方供應。
冰是在柱子的「下端」新形成的
請看圖1的右邊。柱子頂端頂著土，正是冰並非從上方堆積而成的證據。如果是從天上掉下來的，土應該會在冰的下面才對。
實際發生的情況是這樣的。首先，地表最上層的水結凍，形成一層薄薄的冰。這層冰接收從下方爬升上來的水，在冰的下側不斷增加新的冰。由於結凍的位置一直維持在地面正上方，先前形成的冰就失去了容身之處，只能被往上推。原本在地表的土塊，也就一起被抬了起來。
柱子之所以能形成筆直的縱向紋路，是因為水爬升的通道，和被頂起的方向，都是上下方向。一般認為，一個晚上可以長高數公分，條件齊全時甚至可以接近10公分。
縫隙太粗或太細都不行。沙子顆粒較大，縫隙較粗，把水往上拉的力量會變弱。相反地，黏土的縫隙太細，水很難流動。一般認為，田裡的土壤或關東壤土層這種粗細適中的土壤，最容易長出霜柱。
如果同樣的現象在地底以更大的規模發生，冰塊就會形成一層層的結構，慢慢把整片地面往上頂起。這種現象稱為「凍脹」，一般認為在寒冷地區會造成道路鋪面隆起波動。霜柱正是這種現象的縮小版樣本。
總結
霜柱並不是從天上掉下來的冰。土裡的水沿著細小的縫隙爬升上來，在地面正上方持續結凍。由於冰是不斷加在柱子下端，先前形成的部分就會被往上推。柱子頂端頂著土，正是這個過程確鑿的證據。
霜柱不是掉下來的冰。
而是土裡的水從下方頂起來所形成的冰。
同樣是冬天的早晨，附著在草上的水滴或冰，卻是完全不同的原理。空氣中的水蒸氣在冰冷表面變成水的故事，請見「明明沒有下雨，為什麼早晨的草會濕濕的？」；冰的結晶為什麼是六角形，則說明於「雪花為什麼是六角形？」。關於冰為什麼會浮在水面上的不可思議，也可以參考「為什麼冰會浮在水上？」。頂起霜柱的同一種「細縫中的水」，也能讓沙子變得結實，這個故事在「沙子乾的時候會散開，為什麼濕了反而會變硬？」中說明。與霜柱相反、由上往下生長的冰的原理，則說明於「為什麼冰柱不是在最冷的那天，而是在「稍微回暖的那天」形成的？」。
- 選擇晴朗無風、隔天早晨最低氣溫在0℃左右的日子。日照前的時段最適合觀察。
- 尋找花壇或田地這類土壤顆粒細緻的地面。沙地或柏油路旁邊幾乎找不到。
- 輕輕捏起一根柱子，確認最頂端是否頂著一小塊土。如果有，就是被從下方頂起的證據。
請不要擅自進入別人家的庭院或田地。此外，霜柱融化後的地面會變得泥濘濕滑，觀察時請留意腳步。
想知道更多的人請看 ― 用語、公式、與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目，明確標示各段內容所屬的程度
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「物理基礎・化學基礎」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（大地工程學、低溫科學）的內容
- 研究連大學也還不算是「定論」，是研究者目前正在調查中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 霜柱：從地面立起的細長冰柱。是土裡的水在地表附近持續結凍所形成的。
- 毛細現象：水在細管或細小縫隙中自行往上爬升的現象。
- 凍脹：地底形成冰層，導致整片地面被往上頂起的現象。
- 分離冰：把土壤顆粒往兩旁推開所形成的成塊冰層。一般認為霜柱也是這種冰露出地表的一種型態。
國中高中用公式確認：縫隙越細，水能爬多高
把土壤顆粒間的縫隙，比擬成半徑0.01毫米的細管來計算看看。用到的只有水的表面張力與重量之間的平衡而已。
| 用符號表示 | h ＝ 2 × γ ÷ ( ρ × g × r ) |
| 用文字表示 | 能爬升的高度 ＝ 2 × 表面張力 ÷（水的密度 × 重力大小 × 縫隙半徑） |
| 公式的由來 | 在縫隙邊緣把水往上拉的表面張力，與被抬起的水柱重量之間的平衡（朱林定律。前提是水能充分沾附在縫隙壁面） |
| 水的表面張力（0℃附近） | 約 0.073 牛頓每公尺 |
| 水的密度 | 約 1000 公斤每立方公尺 |
| 重力大小 | 約 9.8 公尺每秒平方 |
| 縫隙半徑 | 0.00001 公尺（0.01毫米） |
| 符號 | 意義與單位 |
| γ（表面張力） | 水面想要收縮的力量強度［牛頓每公尺］ |
| ρ（密度） | 每立方公尺的重量［公斤］ |
| g（重力大小） | 物體下落時每秒增加的速度［公尺每秒平方］ |
| r（縫隙半徑） | 土壤顆粒間細小通道的粗細［公尺］ |
| 抬升力那邊的計算 | 0.073 × 2 ＝ 0.146 |
| 重量那邊的計算 | 1000 × 9.8 ＝ 9800 |
| 反映縫隙粗細 | 9800 × 0.00001 ＝ 0.098 |
| 能爬升的高度（公尺） | 0.146 ÷ 0.098 ≒ 1.49 |
| 換算成公分 | 1.49 × 100 ＝ 149 |
如果縫隙半徑是0.01毫米，理論上水可以爬升到149公分高。而霜柱的高度只有幾公分，所以就搬運材料的能力來說，這個力量綽綽有餘。實際的土壤中，通道彎彎曲曲，水移動的速度不會這麼快。即便如此，也能理解「水從下方源源不絕地送上來」並不是件難以想像的事。
高中高中＋為什麼冰會在「下端」成長
高中水結凍成冰的時候會放出熱量。這股熱量會朝著冰冷的空氣往上逸散。也就是說，最容易散熱的地方，正是已經形成的冰的正下方。冰持續成長的位置會固定在那裡，原因就在於此。
高中＋另外，一般認為土壤顆粒表面就算低於0℃，也會殘留一層極薄、尚未完全結凍的水膜。下方的水會透過這層水膜，被吸引到結凍的界面。冰一邊把土壤顆粒往兩旁推開一邊成長，也因此把上方的東西抬起來。這股推擠的力量，依條件不同，據說每平方公分可達數公斤重。
大學從大地工程學看凍脹
在大地工程學中，地底形成冰層把土壤往上頂起的現象稱為「凍脹」，在寒冷地區的工程設計中是必定要考慮的因素。把水吸引到結凍面的作用稱為「凍結吸引」，可以用薄水膜兩側的壓力差來解釋。一般認為，當土壤的細緻程度、水分供應、以及降溫速度這三個條件同時齊備時，凍脹會特別劇烈；反之，若鋪設隔水層則可以加以抑制。霜柱正是這種現象出現在地表、被頂起的對象只有空氣時的情形。
📖 公式推導與更深入的內容：毛細管現象（維基百科，日文） ／ 凍上（維基百科，日文）
研究目前仍未完全釐清的部分
- 薄水膜的厚度。 冰與土壤顆粒之間殘留的水膜，會隨溫度變得多薄，一般認為測量困難，數值也存在一定範圍的差異。
- 凍脹量的預測。 一般認為，針對每種土壤，要事先精準預測地面會被抬升多少，至今仍不是件簡單的事。
- 與氣候變化的關係。 冬季氣溫下降的程度與積雪量的變化，會如何改變地面的結凍方式與凍脹的發生情況，目前各地仍在調查中。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。就連腳邊這小小的冰柱，也還留有研究持續進行中的部分。
與教科書的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文哪個段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・狀態變化／水的樣態 | 水變成冰、結凍的溫度 |
| 高中 | 物理基礎・化學基礎（表面張力、凝固與熱） | 水沿細縫爬升的計算、冰在下方成長的原因 |
| 高中＋ | 進階・專欄（界面的水、細管中的壓力） | 未完全結凍的薄水膜、推擠的力量 |
| 大學 | 大地工程學・低溫科學（凍脹、凍結吸引） | 冰層的形成，以及寒冷地區的工程設計 |
| 研究 | 低溫科學・寒地土木（進行中） | 水膜的厚度、凍脹量的預測、與氣候變化的關係 |
| ― | 與生活的關聯 | 花壇的土會浮起、沙地則不會變化。冬季道路的損傷 |
- 日本氣象廳關於氣象觀測的說明（有關霜、霜柱、最低氣溫的觀測）。
- 寒地土木研究所（寒地土木研究所）等機構關於寒冷地區道路凍脹與抑制凍脹之隔層的技術資料。
- 高中「物理基礎」「化學基礎」教科書中，表面張力、毛細現象、狀態變化的章節。
- Taber, S., "The Mechanics of Frost Heaving", Journal of Geology, 1930.（闡明冰層成長原理的經典研究）
※本文為大眾科學解說文章。文中所列數值，僅為理解原理用的參考概算值。霜柱是否容易形成，會因土壤種類、水分、降溫方式而有很大差異。結凍的地面，或剛融化的地面，都可能變得濕滑。請充分留意腳步，並遵守地方政府或設施的注意標示。