農民為什麼在快要結霜的夜晚，反而往田裡灑水？
― 不是為了不讓它結冰，而是為了讓它結冰
初春，預報說晚上會結霜時，果園或茶園裡的灑水器有時會整夜不停運轉。照理說，寒冷的夜裡灑水，只會讓溫度更低、更容易結凍。但實際上，這些水反而保護了嫩芽。而且正是因為水結了冰，才保護得了嫩芽。
初春，一個晴朗無風的夜晚。傍晚的天氣預報說：「明天早上氣溫會下降，可能有晚霜。」
當晚，果園裡的灑水器開始運轉。隔天早上一看，樹枝和剛冒出的嫩芽，整個都被透明的冰包裹著。
從外觀看，這根樹枝像是凍傷得最嚴重的一根。但等冰融化後，那個嫩芽卻還活著。反而是隔壁沒有灑水的田裡，嫩芽已經枯黃了。
為什麼「讓它結冰」反而能保護嫩芽？理由有兩個
水變成冰的時候，會向周圍釋放熱。只要灑在嫩芽表面的水持續結冰，那裡就會不斷產生熱。這股熱會回頭溫暖正要變冷的嫩芽。
只要還沒融化的冰，和尚未結凍的水同時存在，溫度就無法低於0℃。嫩芽的溫度會被固定在0℃。就算空氣降到零下4℃，冰裡的嫩芽仍能維持0℃。
決定嫩芽是否會凍死的關鍵，其實不是「有沒有結冰」，而是「降到了幾度」。多數果樹的嫩芽在剛萌發階段，一般認為在零下2到3℃左右就會受損。只要能被固定在0℃，就不會跨過這條界線。接下來依序說明。
結冰時放出熱，究竟是怎麼一回事
把水持續降溫，到0℃就會結冰，但這時溫度計會有一段時間停在0℃不動。明明還在降溫，溫度卻不下降的這段時間確實存在。這股「消失的降溫能力」，真面目就是水變成冰時釋放出來的熱。
換算成數量，1公克的水結冰時放出的熱，約為334焦耳。這相當於把同樣1公克的水加熱約80℃所需要的熱量，絕對不是小數目。只要持續對整片田灑水，這股熱就會在田裡持續產生。請看圖1，左右兩邊描繪的是同一個夜晚裡發生的不同狀況。
停在0℃，是怎麼做到的
如果只是放出熱，感覺遲早會放完就結束了。但冰水共存的狀態，有一個特性：溫度不會變動。就像加了冰塊的飲料，只要冰還在，就會一直保持冰涼一樣。
在嫩芽表面，新落下的水會不斷結冰，這個過程反覆發生。只要還有未結凍的水存在，溫度就無法低於0℃。無論空氣是零下4℃還是零下5℃，冰殼內部就是維持0℃。對嫩芽來說，就像待在一個與外面寒冷隔絕的小房間裡。
這個方法最重要的一點，是要撐到早上冰完全融化為止，中途不能停止灑水。一旦停止灑水，就不會再有新的水結冰，熱也就不再產生。而且，剩下的冰在融化時，反而會從周圍吸走熱。如果半途而廢，據說有時反而會比完全不灑水更冷。
這個方法只在晴朗無風的夜晚才有效。風大的日子，灑出去的水容易被吹散、加速蒸發。水蒸發時反而會吸走熱，這樣一來，吸熱的一方可能會贏過放熱的一方。在現場之所以會說「有風的夜晚不要做」，原因就在這個差異。
總結
霜夜灑水，並不是為了不讓嫩芽結冰而下的功夫。而是讓水代替嫩芽結冰，充分利用結冰時放出的熱，以及冰水共存處溫度會停在0℃的特性。看似造成寒害的原因，其實才是保護者。
水在結冰的瞬間，會留下熱。
這股熱，把嫩芽留在0℃這條線上。
從「結冰」的另一個角度出發的相關文章，還有霜柱，為什麼會從土裡長出來？，以及冰柱，為什麼不是在最冷的那天，而是在「稍微回暖的日子」形成？，也歡迎一併閱讀。至於晴朗夜晚地面為何會變冷，明明沒下雨，早晨的草地為什麼是濕的？有更詳細的說明。
- 在杯子裡裝滿冰塊，加水到冰塊一半左右浸在水中的程度。一邊偶爾攪拌，一邊放入溫度計。
- 把杯子放在溫暖的房間裡，每隔10分鐘讀一次溫度並記下來。請確認只要冰還在，數字幾乎不會變動。
- 等最後一塊冰融化的瞬間，溫度就會開始上升。這裡就是「冰水共存」結束的那一點。田裡的嫩芽，一直到早上都待在這段溫度不變的時間裡。
如果沒有溫度計，光是把手指放進冰水裡感受一下，也能分辨出有冰和沒冰的差異。請不要浸太久。
想知道更多 ― 術語、公式與教科書的關聯從國中理化到大學專業科目，清楚標示各段內容屬於哪個程度
- 國中國中理化課會學到的範圍
- 高中高中「物理基礎、化學基礎」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄等級的內容
- 大學高中不會學到、屬於大學專業科目（熱力學、植物生理學）的內容
- 研究大學也還不當作「定論」教授、目前研究者仍在探究中的內容
國中術語：這個現象是有名字的
- 灑水結冰防霜法：在預測會結霜的夜晚，持續對作物灑水，利用結冰時放出的熱把溫度維持在0℃的防霜方法。用於果園和茶園。
- 凝固熱（潛熱）：液體變成固體時向外釋放的熱。因為在溫度不變的情況下進出，所以也被稱為「隱藏的熱」。
- 輻射冷卻：在晴朗無風的夜晚，地面或葉片持續把熱以光的形式釋放到天空，導致溫度比氣溫還低的現象。霜夜通常都在發生這個現象。
國中高中用公式確認：灑水相當於幾瓦特的暖氣
假設每平方公尺的田地，每小時灑下厚度3毫米的水。假設這些水全部結冰，把由此釋放的熱換算成每秒鐘的量。單位是瓦特，這是表示每秒釋放多少熱量的符號。
| 符號：1公克水結冰時放出的熱 | 約為334焦耳 |
| 每平方公尺、每小時灑的水 | 3公升 |
| 1公升水的重量 | 1000公克 |
| 1小時是幾秒 | 3600秒 |
| 1小時灑下的水的重量 | 3 × 1000 ＝ 3000 |
| 由此釋放的熱（焦耳） | 3000 × 334 ＝ 1002000 |
| 換算成每秒（瓦特） | 1002000 ÷ 3600 ≒ 278 |
每平方公尺約278瓦特。晴朗夜晚地面向天空釋放的熱，一般認為每平方公尺約在數十瓦特到100瓦特左右，所以灑水產生的暖氣效果已經超過了這個數字。可以想成是在整片田裡放了一台小型電暖爐。
高中高中＋放熱與吸熱的拔河
高中物理基礎課會學到，狀態變化期間所加的熱不會用於升溫。灑水結冰防霜法，正是從「放出」這種「用不到的熱」的一方加以利用。反過來看，也同時學到冰融化時會吸收等量的熱。
高中＋實際田間狀況是，凝固熱在進來的同時，蒸發的潛熱也在流失。1公克水蒸發時吸收的熱，據說約為結冰時放出熱量的7倍。就算灑下的水只有一小部分轉為蒸發，收支也很容易被逆轉。乾燥有風的夜晚灑水之所以危險，原因就在於這個比例之大。
大學過冷與冰核是否形成
純水即使低於0℃，也可能不會結冰，這稱為過冷。要開始結冰，需要有作為冰核的物質。植物體液也會過冷，但一旦在細胞外開始形成冰晶，細胞內的水就會被引到外面，導致細胞脫水，這被認為是凍害的主要原因。灑水結冰防霜法真正保護的，並不是「不讓它結冰」，而是「不讓溫度降到足以在細胞外形成冰晶的程度」。也有研究指出，某些植物葉片表面是否存在容易促成冰核形成的細菌，會影響凍害發生的難易程度。
研究目前尚未完全明朗的部分
- 灑水量的最佳值。 需要灑多少水才足夠，會隨氣溫、風速、濕度的組合而改變。現場很大程度上依賴經驗，針對各種條件將標準量化的研究仍在進行中。
- 細胞受損的機制。 凍害究竟是因脫水造成，還是冰晶破壞細胞膜所致，兩者的比例因植物與條件而異，目前仍有討論。
- 不用水的替代方法。 送風、覆蓋、藥劑等非灑水的防霜法也有人嘗試，但都不如灑水法可靠，在缺水地區仍是課題。
也就是說，本文的內容也僅是「目前已知範圍內的說明」。田間實際該怎麼做，請遵循當地指導機構的建議。
與教科書的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・狀態變化與溫度 | 冰水混合時溫度停在0℃的內容 |
| 高中 | 物理基礎・熱與溫度／化學基礎・狀態變化 | 凝固熱的計算與278瓦特的估算 |
| 高中＋ | 物理・熱的收支 | 與蒸發吸熱之間的拔河 |
| 大學 | 熱力學・植物生理學 | 過冷與細胞外形成冰晶的內容 |
| 研究 | 農業氣象學 | 灑水量最佳值與凍害機制 |
| ― | 與生活的關聯 | 冰水為何保持冰涼、如何解讀春季晚霜新聞 |
- 日本氣象廳「過去氣象資料檢索」（最低氣溫・結霜紀錄）
- 日本農林水產省「農業生產與環境・技術」（氣象災害對策相關資料）
- 日本農業氣象學會編『農業氣象の科学』（防霜法與熱收支篇章，森林総合研究所〔Forestry and Forest Products Research Institute〕相關研究亦可參照）
- Levitt, J. "Responses of Plants to Environmental Stresses"（低溫逆境與凍害篇章）
※本文為大眾科學解說文章。文中數值為幫助理解原理所用的參考、概算數字。實際防霜作業是否適用，會因設備與地區條件而異。實際操作時，請遵循地方政府、推廣指導機構等單位的建議。