湧き出した温泉は、どのように変化するのか

温泉に入るとき、僕たちはつい、その温泉がどんな泉質なのかを気にしてしまう。硫黄泉なのか、塩化物泉なのか。酸性なのか、アルカリ性なのか。温泉分析書を見れば、含まれている成分や濃度を知ることができる。

だが、温泉を巡っていると、一つ不思議なことに気づく。同じ源泉を使っているのに、湯口から流れ出している温泉と、浴槽にたまっている温泉とで、色も匂いも肌触りも違うことがある。

たとえば、湯口では透明だった温泉が、浴槽では真っ白に濁っている。湯口に顔を近づけると強い硫黄の匂いがするのに、浴槽ではそれほど感じない。湯口の周りだけに、白い結晶のようなものがびっしり付いていることもある。

こうした違いは、なぜ生まれるのだろう。

実は、温泉の性質は、地下から湧き出した瞬間に決まってしまうわけではない。

地下深くでは、高い温度と圧力のもとで、さまざまな成分が水に溶け込んでいる。その水が地表に出ると、温度が下がり、圧力が変わり、空気中の酸素に触れる。すると、地下では安定していた物質が、別の状態へ変わっていく。

つまり、温泉は、地表に湧き出したあとも化学反応を続けている。 この記事では、地下から湧き出した温泉が、僕たちの入る浴槽に届くまでに、どう変わっていくのかを考えてみたい。

1｜地下と地上では、何が違うのか

まず知っておきたいのは、地下深くと地表では、水の置かれた環境が大きく違うということだ。

地下深くでは、岩石や地下水の重さで高い圧力がかかっている。また、地球内部の熱で温度が高くなっていることも多い。

さらに、地下深くの水には、地表の水とは違う化学的な特徴がある。僕たちがふだん目にする川や池の水には、大気から酸素が溶け込んでいる。だが地下深くでは空気に触れる機会が限られ、酸素がほとんどない環境が広がっていることがある。

酸素のない環境では、鉄や硫黄などの元素が、地表とは違う化学的な状態で存在していることがある。

鉄を例に考えてみよう。鉄には、水に比較的溶けやすい二価鉄という状態がある。酸素の乏しい地下では、鉄が二価鉄として水に溶け込んでいることがある。

ところが、温泉水が地表に出て空気中の酸素に触れると、二価鉄が酸化されて、三価鉄に変わっていく。

三価鉄は、水のpHなどの条件によって、水酸化鉄や酸化水酸化鉄といった固体になりやすい。その結果、透明だった温泉が赤褐色に濁ることがある。 有馬温泉の金泉などで見られる色の変化は、その代表的な例だ。

大事なのは、地表に出たことで新しい成分が加わったわけではないということだ。地下にあった鉄が、酸素と反応して化学的な状態を変えたのである。

温泉の色は、地下で何が溶け込んでいたかだけでなく、地表に出てから何が起きたかによっても決まる。

2｜温泉から、ガスが抜けていく

地下と地上の大きな違いは、圧力にもある。

地下深くでは高い圧力がかかっているため、水にさまざまなガスが溶け込んでいることがある。 代表的なのが、二酸化炭素と硫化水素だ。

二酸化炭素が水に溶けている状態は、炭酸飲料を思い浮かべると分かりやすい。ペットボトルの炭酸水は、ふたを開けると泡が出る。容器の中では高い圧力で二酸化炭素が水に溶け込んでいるが、ふたを開けて圧力が下がると、溶けていた二酸化炭素が気体として出てくる。

温泉でも似たことが起きる。地下深くで二酸化炭素を含んだ水が地表へ上がってくると、圧力が下がってガスが分かれやすくなる。地表に出て空気に触れると、さらに二酸化炭素が放出されることがある。

その結果、源泉では二酸化炭素を多く含んでいても、浴槽に届くまでに一部が失われていることがある。

しかも、ガスが抜けると、水に溶けている成分の釣り合いまで変わる。

カルシウムと炭酸水素イオンを多く含む温泉を考えてみよう。地下では、二酸化炭素の圧力が高いおかげで、炭酸カルシウムが水に溶けたままでいられることがある。

ところが、温泉が地表に出て二酸化炭素を放出すると、水の中の炭酸に関わる化学平衡が変わる。その結果、炭酸カルシウムが溶けきれなくなり、固体として出てくることがある。

温泉の湧出口や配管、浴槽の縁に付いている白い析出物は、この炭酸カルシウムであることが多い。

炭酸カルシウムの析出が長い時間続けば、厚い層ができることもある。温泉の周りに石灰華と呼ばれる独特の地形ができることがあるのも、このためだ。

つまり、地下では水に溶けていた物質が、地表でガスを失うことで、新しい岩石のようなものをつくり始める。温泉は、岩石を溶かすだけでなく、岩石をつくることもある。

3｜硫黄の匂いは、どうして弱くなるのか

温泉の変化を感じるうえで、特に分かりやすいのが匂いだろう。

温泉地に近づくと、腐った卵のような独特の匂いが漂ってくることがある。おもな原因は、硫化水素という気体だ。

硫化水素は水に溶けるが、温泉水が地表に出ると、一部が気体になって空気中へ出ていく。そのため、硫化水素を含む温泉では、湯口の周りで匂いが強く、時間がたった温泉では匂いが弱まることがある。

だが硫化水素の場合は、ガスが抜けるだけではない。空気中の酸素と反応すると、硫化水素が酸化され、条件によっては硫黄の微粒子ができる。

硫黄の微粒子が水の中に散らばれば、光が散乱され、温泉が白く濁って見える。 さらに酸化が進むと、硫酸イオンなどができることもある。

つまり、透明で硫化水素の匂いが強かった温泉が、地表に出てから白く濁り、匂いも変わっていくことがある。

ただし、硫化水素がどれくらいの速さで変わるかは、温度やpH、酸素の量、微生物の働きなどによって違う。空気に触れた瞬間に、すべての硫化水素が別の物質に変わるわけではない。

また、硫化水素は高い濃度では人体に有害な気体でもある。高濃度になると嗅覚がまひすることがあるため、匂いが弱いことを安全の判断材料にすることはできない。

それでも、温泉の匂いが、地下から地表への環境の変化を知る手がかりになることは確かだ。 湯口で強く感じた匂いが、浴槽では弱くなる。その背景には、水に溶けていた物質が気体として出ていき、あるいは別の物質へ変わっていく現象がある。

4｜温泉は、冷めることで成分が変わる

もう一つ大事なのが、温度の変化だ。

温泉水は、地下の熱い環境から地表へ向かうあいだに、周りの岩石に熱を奪われることがある。地表に湧き出したあとも、配管や空気、浴槽とのあいだで熱をやりとりする。そのため、源泉ではとても熱かった温泉が、浴槽では入浴にちょうどよい温度になっている。

このとき起きているのは、温度が下がるという変化だけではない。 物質が水にどれくらい溶けるかは、温度によって変わることがある。

シリカを例に考えてみよう。シリカは、石英やガラスの主成分として知られる、ケイ素と酸素からなる物質だ。高温の地下水は、岩石から比較的多くのシリカを溶かし込むことがある。

だが、その水が地表へ上がって冷えると、溶けていたシリカが多すぎる状態になることがある。すると、シリカが水の中で小さな粒子になったり、配管や岩石の表面に沈殿したりする。

こうした析出物は、温泉施設の管理でも大きな問題になる。

配管の内側にシリカや炭酸カルシウムなどが付き続けると、だんだん水の通り道が狭くなってしまう。配管や設備の表面に付く鉱物のたまりを「スケール」という。

スケールが厚くなれば、流量が落ちたり、熱交換器の性能が悪くなったりすることがある。温泉施設では、析出物を取り除くための管理が必要になる場合もある。

一方、温泉好きにとっては、析出物も興味深い現象だ。温泉の湧出口に、白色や褐色の結晶が幾重にも重なっていることがある。浴槽の石の表面が、まるで別の岩石で覆われたようになっていることもある。湧出口や浴槽の石の上では、地下から運ばれてきた成分が、長い時間をかけて新しい鉱物として積み重なっている。

ただし、析出物が多いから温泉の成分が濃いとか、温泉として優れているとか、単純には判断できない。析出が起きるかどうかは、溶けている成分の量だけでなく、温度やpH、ガスの放出、化学平衡などによっても変わるからだ。

析出物は、温泉がどんな化学的な変化をたどっているのかを知る手がかりとして見たほうが面白い。

5｜温泉のpHも、変わることがある

ガスが抜ける、物質が酸化される、鉱物が析出する。こうした反応は、温泉のpHにも影響することがある。

たとえば、二酸化炭素を多く含む温泉では、二酸化炭素が水に溶けることで酸性の性質が生まれていることがある。その温泉が地表に出て二酸化炭素を放出すると、酸性に傾ける要因が減るため、pHが上がることがある。

一方、硫化水素などの硫黄成分が酸化されて硫酸ができれば、水が酸性に傾くこともある。

つまり、温泉が地表に出たあと、pHは上がることもあれば、下がることもある。

ただし、実際の温泉では、いくつもの反応が同時に起きている。二酸化炭素が抜ける一方で、鉱物が沈殿したり、別の地下水が混ざったりすることもある。そのため、温泉のpHがどう変わるかは、単純には決められない。

さらに、pHと泉質名が、いつも同じように変わるわけではない。

たとえば、ナトリウムや塩化物イオンのように、地表でも比較的安定して溶けている成分は、ガスが抜けたり鉄が酸化したりしても、大きくは減らないことがある。そのため、温泉の色や匂い、pHが変わっていても、主要なイオンの組成はほとんど変わっていないことがありうる。

反対に、炭酸カルシウムが大量に析出すれば、カルシウムなどの溶けている量も変わる可能性がある。

温泉が変化しているかどうかを考えるときには、何が変わっていて、何が変わっていないのかを区別する必要がある。

6｜源泉の温度と、浴槽の温度は同じではない

温泉分析書には、ふつう源泉の温度が書かれている。だが、僕たちが入る浴槽の温度は、源泉の温度とは違うことが多い。

たとえば、源泉の温度が70℃なら、そのまま浴槽に流し込んで入浴することは難しい。何らかの方法で温度を下げる必要がある。一般的には、加水で冷ましたり、貯湯槽などで冷ましたり、熱交換器で熱を取り出したりする。

これらの方法は、温泉の化学的な性質への影響がそれぞれ違う。

加水は、文字どおり温泉に別の水を加える方法だ。温度を下げるだけでなく、温泉に溶けている成分の濃度も変わる。

一方、熱交換器で温泉から熱を取り出す場合は、温泉に別の水を混ぜなくても温度を下げられる。

ただし、加水しなければ成分がまったく変わらないわけでもない。 冷やすことで鉱物が析出することもあれば、熱交換器へ送る途中でガスが抜けることもある。

また、貯湯槽で長い時間ためておけば、温度が下がるだけでなく、ガスの放出や酸化反応が進む可能性もある。

つまり、同じ源泉を使っていても、どんな方法で浴槽に送るかによって、実際に入る温泉の状態は違ってくる。 僕は、温泉を楽しむうえでとても大事なことだと思う。

温泉分析書に書かれているのは、基本的に分析した時点の源泉の状態だ。 僕たちが実際に入っているのは、源泉からさまざまな過程を経て浴槽に届いた温泉なのだ。

7｜では、「新鮮な温泉」とは何なのか

源泉から浴槽までの変化を知ると、温泉好きのあいだでよく使われる「新鮮な温泉」という言葉が、少し違って見えてくる。

一般に、新鮮な温泉というと、源泉から湧き出したばかりの、あまり時間のたっていない温泉を指していることが多い。だが科学的に考えると、新鮮さを時間だけで決めるのは難しい。

たとえば、塩化物イオンを主成分とする温泉では、地表に出てから多少時間がたっても、主要な成分の濃度が大きく変わらないことがある。

一方、遊離二酸化炭素を多く含む温泉では、地表に出て圧力が下がると、比較的短い時間のうちに二酸化炭素が放出されることがある。 硫化水素を含む温泉では、ガスが抜けたり酸化したりして、匂いや成分が変わることもある。

つまり、何をもって新鮮と考えるかは、温泉の成分によって違う。

また、源泉から浴槽までの時間が短ければ、必ず成分が保たれるわけでもない。 熱い温泉を開いた水路で勢いよく流せば、短い時間でもガスが抜けやすくなる。反対に、きちんと設計された密閉配管を使えば、ガスの放出を抑えられることもある。

大事なのは、源泉から浴槽まで何分かかったかだけではない。途中で温度や圧力がどう変わり、空気とどれだけ触れ、どんな化学反応が起きたのか。そこまで考えて初めて、温泉が源泉の状態をどれだけ保っているのかが分かる。

温泉の鮮度は、科学的には一つの数字で表せる性質ではない。

8｜温泉は、湧き出してからも変わり続けている

温泉は、地下に完成した温泉水があって、それを地表に取り出しているだけのものではない。

温泉水は、地下で熱を受け取り、岩石と反応し、成分を変えながら移動している。そして地表に現れたあとも、温度や圧力、酸素との接触によって、さまざまな変化を続けている。

湯口から勢いよく流れ出している温泉も、浴槽にたまっている温泉も、変化の途中にある。だから、同じ源泉から送られてくる温泉でも、湯口と浴槽では違う姿を見せることがある。

そして、変化すること自体が悪いわけではない。

白く濁った温泉のなかには、地表で新しく生まれた微粒子によって、あの美しい色ができているものがある。赤褐色の温泉にも、地下から運ばれてきた鉄が酸化して、独特の色を得ているものがある。つまり、地表での変化で失われる特徴もあれば、地表での変化で初めて現れる特徴もある。

温泉は、地下から湧き出した瞬間が完成形なのではない。その後も変化を続ける、一つの自然現象なのだ。

そう考えると、温泉の楽しみ方も少し変わってくる。湯口から流れ出す温泉の匂いを感じる。浴槽の温泉がどんな色をしているかを観察する。縁に付いた析出物を眺める。一つ一つが、地下から運ばれてきた物質の変化を知る手がかりになる。