井水或湧泉，為什麼夏天覺得冷、冬天覺得溫？
― 不是水在變，是周圍的空氣在變
夏天喝起來意外地冰涼，冬天把手伸進去卻有點溫熱。看起來像是水會隨季節改變溫度，但事實正好相反。水的溫度幾乎沒有變化。真正大幅改變的，是你這一邊。
盛夏走在山路上，遇到路邊的湧泉。把手伸進去，冰得像冰水一樣。你會想「山裡的水果然很冰涼」。
然而在同一個地方，換成寒冬再來一次。四周被霜覆蓋得一片白，湧泉卻冒出淡淡的水氣。伸手一摸，比外面的空氣溫暖得多。
地底下並沒有隨季節切換水溫的裝置。那麼，究竟發生了什麼事？
原因大致只有兩個
金屬能很快傳熱，但土壤和岩石的傳熱速度慢得多。地表的暑氣或寒氣，只能緩慢地往下滲透。
夏天的熱度往下傳到幾公尺深時，冬天的寒氣已經追了上來。兩者互相抵消，深處的溫度幾乎不再變動。
這兩個因素疊加的結果，就是地下水整年幾乎維持同一溫度。這個溫度，非常接近該地一年的平均氣溫。在日本許多平地地區，大約是15℃左右。
你感覺到的「冰涼」，其實是溫差，不是水本身
15℃的水，在氣溫33℃的盛夏摸起來，身體會判定為「冰涼」。同樣15℃的水，在氣溫3℃的寒冬摸起來，這次卻感覺「溫暖」。水本身什麼都沒變，變化的是拿來比較的對象——空氣。
換句話說，湧泉並不是隨季節而動，而是拒絕隨季節而動。當周圍上下劇烈擺動時，只有它靜止不動。所以任何時候，感覺起來都像是相反的方向。
暑氣與寒氣，究竟能滲到多深
地表溫度在一年之中會大幅上下變動。這個波動會傳入地底，但隨著深入會不斷減弱。圖1呈現了這個情形。
大致的參考值是，地底下每往下約2公尺，溫度的擺幅就會減少到約三分之一。因此到了深度10公尺，地表原本超過20℃的年溫差，會縮小到不足1℃。
而且季節還會「延遲」抵達
不只是變弱而已。在地底，暑氣寒氣抵達的時間本身也會延後。深度數公尺處收到夏天的暖意時，地面上早已結束夏天很久了。
因此在地面較淺處，會出現「地面上的秋天反而最溫暖」這類季節錯位的狀態。隧道或洞穴內感覺涼爽，也是同樣道理的近親現象。
地下溫度整年幾乎恆定，這件事本身就有利用價值。如果能與夏天比外面涼、冬天比外面溫的對象交換熱量，冷卻或加熱都能省下不少力氣。把管子埋進地底來交換熱量的系統，正是利用這個特性。
地底深處存在地球本身的熱量。大致的參考值是，每往下100公尺，溫度會上升約3℃。到數十公尺為止仍接近年平均氣溫，但更深之後，溫度就會逐漸回升。
總結
湧泉的溫度並不是隨季節而改變。因為土壤傳熱速度很慢，地表的暑氣與寒氣都無法傳到深處，溫度就停留在該地的年平均氣溫上。夏冷冬溫，其實是空氣在變化的結果，不是水在變化。
湧泉並沒有追著季節跑。
它只是被季節遠遠拋在後面。
再往下追蹤地底的熱，會連到 溫泉為什麼是熱的？。同樣的溫度卻感覺不同的話題，可參考 為什麼金屬比木頭感覺更冷？；空氣與地面溫差如何生出水的故事，則詳見 早晨的草為什麼是濕的？。
- 在庭院的土壤中，挖出深度5公分與30公分的洞，分別插入料理用溫度計，等候10分鐘（若要在非自家土地上挖，請先取得管理者許可）。
- 在晴天的白天，以及日落之後各測一次。淺處應會大幅上下變動，深處則幾乎不動。
- 如果附近有湧泉或井，可以在不同季節測量兩次水溫。你會發現氣溫相差好幾十度，水溫差卻極小。
即使只有30公分，差異也很明顯。若無法挖得很深，光是比較陰影處與陽光下的地面，也能看出土壤蓄積熱量的樣子。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目，皆明確標示屬於哪個程度
- 國中國中理科所學範圍
- 高中高中「物理基礎、地學基礎」所學範圍
- 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（傳熱工程、水文學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」教授，是研究者目前正在探討的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 地中溫度（地溫）：指地底下的溫度。氣象觀測站會依不同深度持續進行長年觀測。
- 熱的傳導快慢（熱擴散率）：表示溫度變化在物質中傳播速度的數值。土壤這個數值較小，金屬則較大。
- 年平均氣溫：該地一整年氣溫的平均值。已知地底深處的溫度會趨近於這個值。
- 地溫梯度：表示愈往深處，因地球內部熱量而使溫度上升的幅度的詞。
國中高中用公式驗證：暑氣寒氣能滲到地下多少公尺
當一年的溫度波動滲入地底時，其擺幅會隨深度而縮小。我們來求「擺幅減弱到原本約三成的深度」。潮濕土壤的熱擴散率，大約是每秒0.5平方毫米。
| 用符號表示 | d ＝ √( 2 × κ ÷ ω )，ω ＝ 2π ÷ P，擺幅 ＝ A₀ × e^(−z ÷ d) |
| 用文字表示 | 滲透深度 ＝「熱擴散率的2倍」除以「波的進行速率（一圈角度 ÷ 一年）」所得值的平方根 |
| 公式的來源 | 熱傳導方程式（溫度隨時間的變化 ＝ 熱擴散率 × 溫度的彎曲程度），在表面溫度以一年為週期上下變動的條件下求解而得。深度 z 處，擺幅會減少為 e^(−z ÷ d) 倍 |
| 符號 | 意義與單位 |
| κ（符號甲） | 土壤的熱傳導快慢（熱擴散率）。單位為每秒平方毫米 |
| P（符號乙） | 溫度波的週期，此處為1年。單位為秒 |
| d | 滲透深度。擺幅減少到原本約37％（約三成）的深度。單位為毫米 |
| A₀、z | 地表的擺幅（℃）與距地表的深度 |
| 符號甲：土壤的熱傳導快慢 | 0.5（單位為每秒平方毫米） |
| 符號甲的2倍值 | 1.0（單位為每秒平方毫米） |
| 符號乙：1年的長度 | 31500000（單位為秒） |
| 表示一圈的數值之2倍 | 6.28（無單位） |
| 把1年換算成波的進行速率參考值 | 31500000 ÷ 6.28 ≒ 5020000 |
| 求出滲透深度的平方 | 1.0 × 5020000 ＝ 5020000 |
| 找出平方後等於此值的數 | 2240 × 2240 ＝ 5017600 |
| 把毫米換算成公尺 | 2240 ÷ 1000 ＝ 2.24 |
用符號來說，滲透深度就是「符號甲的2倍除以波的進行速率」所得值的平方根。單位是長度，也就是公尺。得到的約2.24公尺，就是擺幅減弱到原本約三成的深度。
| 深度10公尺是它的幾倍 | 10 ÷ 2.24 ≒ 4.5 |
| 4.5倍深度時的減弱程度 | 0.011（據推算為此比例） |
| 若地表擺幅為12℃，剩下多少 | 12 × 0.011 ≒ 0.13 |
也就是說，深度10公尺處，一年溫度的擺幅只剩下約0.13℃。以溫度計的刻度來看，幾乎就像沒有變動的程度。
高中高中＋為什麼還會產生「延遲」
高中熱會依溫度差的大小，以一定速率從高溫處流向低溫處。地表變暖後，熱會流向其正下方；那裡變暖後，再流向更下方。就像接力傳遞一樣，愈深的地方到達得愈晚。
高中＋這個延遲的大小，與深度成正比。據推算，每約2.24公尺（前面求出的值），季節就會延遲約2個月抵達。到深度約7公尺處，會延遲半年，因此會出現「地面上是盛夏、該深度卻是寒冬」這種逆轉現象。
大學熱傳導方程式決定了唯一的答案
把地面視為均勻的半無限體，設表面溫度以一年為週期上下變動，內部溫度即可寫成熱傳導方程式的解。這個解會呈現「擺幅隨深度呈指數遞減，同時相位隨深度成正比延遲」的波動形式。擺幅遞減與相位延遲，由同一個長度尺度所決定，這正是此解的特徵。前面算出的約2.24公尺，就相當於這個尺度。實際地面因各層性質不同、又有雨水進出與積雪等因素，觀測值會與此解略有偏差。
📖 公式推導與更深入內容：熱傳導方程式（維基百科「熱傳導」，日文）
研究尚未完全明朗的部分
- 地中溫度能否成為氣候的記錄。 深井的溫度分布中，據認為留有過去數百年地表溫度變化的「模糊痕跡」。學界持續嘗試從中還原當年的氣溫，但地下水流動究竟會擾亂記錄到什麼程度，仍有爭論。
- 都市地下究竟暖化到什麼程度。 已有報告指出，鋪面、建築物及地下設備的熱量，會使都市地區的地中溫度高於周邊。其影響範圍，以及對地下水中生物的影響，尚未完全清楚。
- 地底的熱能利用到什麼程度。 若把與地底交換熱量的設備密集設置，地面溫度本身會逐年偏移。長時間下如何取得平衡，至今仍是研究對象。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。無法保證你家附近的地面會完全依照這個計算來運作。
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 | 理科・生活中的現象（熱的傳遞） | 土壤傳熱較慢的說明 |
| 高中 | 物理基礎（熱與溫度）・地學基礎 | 熱的流動與季節延遲的說明 |
| 高中＋ | 物理（熱傳導的進階處理） | 滲透深度的計算與半年份的延遲 |
| 大學 | 傳熱工程・水文學（熱傳導方程式） | 擺幅遞減與相位延遲由同一尺度決定的說明 |
| 研究 | 古氣候學・都市地下環境 | 從地中溫度還原過去氣溫的嘗試 |
| ― | 與生活的關聯 | 湧泉的溫度、利用地底熱能的冷暖氣 |
- 日本氣象廳「地中溫度（地溫）之觀測」（気象庁「地中温度（地温）の観測」）及各地地中溫度統計值
- 國立天文台編《理科年表》丸善出版（國立天文台編『理科年表』丸善出版）（氣溫・地溫及物質熱性質相關項目）
- 日本產業技術總合研究所地質調查總合中心「日本地溫梯度・地殼熱流量相關資料」（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（針對半無限體表面溫度週期性變化的解）
※本文為大眾科普解說。文中數值皆為理解機制之用的參考、概略值。井水或湧泉即使外觀清澈，也可能不適合飲用。飲用前請務必確認當地政府公告及水質檢測結果，並依指示行事。