為啥雪花長這樣？

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說到雪花，大部分人都會想到冰雪奇緣這部迪士尼經典電影，但是筆者不得不來吐槽一下，迪士尼真的應該去花點錢去諮詢一下專業人士雪花的構造。例如這個冰雪奇緣二海報上這個雪花就不符合地球物理的規則。接下來，筆者會大致的介紹一下雪花的結構和形成原理。

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大部分人對於雪花的印象來源於1931的一本書及其衍生作品——《雪花》。這本書的作者，賓利·威爾遜，是雪花的第一狂熱粉絲。從 1885 年的第一張照片開始，賓利拍攝了 5000 多塊雪花。這不是最恐怖的，最恐怖的是他會挑選拍攝的雪花，要是一堆雪花中沒有他看上的，他就會用羽毛掃掉，重新收集新的雪晶。而他收集雪晶的方法也很簡單粗暴，就是在雪天等待雪花落到玻璃上，然後他拿到室外的儀器下拍攝。

https：//snowflakebentley。com/biography

上圖就出現在諸多雪花的衍生作品中。

當然了，除了藝術中，神奇的雪花在科學界也佔有一席之地。早在1611年，開普勒（就是發現開普勒定律的那個）就著手研究雪花，而後有一個日本的物理學家Nakaya在1930年代仔細研究了雪晶形成的原因和條件。

他不僅對不同氣象條件下的天然雪晶進行了分類，還是第一個在受控環境下在實驗室中培育合成雪晶的人。Nakaya 觀察了在不同溫度和過飽和度下出現的不同生長形態，並將這些觀察結果組合成所謂的雪晶形態圖，如下圖所示。

在解釋為什麼雪花會有這樣的變化之前，我們首先考慮雪花是怎麼形成的。

雪花的初始形態只是一粒超小的冰晶。當很多過冷狀態的水蒸氣和一粒超小的雜質碰在一起，就會發生凝結核，形成這顆超小的底面大致為正六邊形的冰晶。

因為六個角更容易接觸到水蒸氣，所以六個角最先形成分叉，也就是形成我們看到的雪花分枝的樣子。這個很好理解，離冰晶遠一點的水蒸氣沒有加入到結晶的過程，而冰晶的那六個角就是離冰晶中心最遠的，就離其他水蒸氣更近，也就更容易形成新的結晶。這個過程會形成一個正向反饋——離得越遠結晶越快。

當然雪花在自然條件下也不可能靜止在那裡結晶——雪花會因為空氣的流動而變化，準確來說，是因為空氣的流動帶來的溼度和溫度的變化。這也是為什麼我們看到的雪花的形狀千姿百態。

而雪花各個面受到相同的天氣影響，從而各個面的延伸速度在那個時刻是相同的，這也是為什麼我們看到的雪花都是對稱的。而各個雪花在同一個雲層中運動的軌跡是不同的，所以它們的形狀也是不同的，這就是為什麼在自然條件下，沒有兩片雪花是一樣的。

但是在實驗室中，科學家們可以控制這些條件。下面一張圖就是K G Libbrecht 在實驗中製作的兩片雪花，他們幾乎看上去一模一樣。所以“沒有一片雪花是一樣的”的名言也就不那麼浪漫了。

http：//snowcrystals。com/

現在，我們回到這張圖來回答一下，為什麼雪花的形狀會隨著溫度溼度變化而變化？

KG Libbrecht提出來一個物理模型——SDAK——來解釋這張圖。簡單來說就是凝結核需要能量，在不同溫度下，稜面和底面凝結核所需要的能量不同，從而導致這兩種面的生長速度不同，具體的理論可以參考下面的論文連結：

https：//arxiv。org/pdf/1910。09067。pdf

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編輯：荔枝果凍