「全く同じ雪の結晶は二つとない」というのは本当でしょうか？いったいなぜ？

全国的に雪が降ると予想される季節です。あなたのいる所では雪が降りましたか？

舞い降りる雪は、東晋の名官、謝安が『世略新語』に記した「降り積もる白い雪は、どんなふうに見えるのだろう」という自問自答を思い出させた。

古来より、人々は雪を表現するのに美しい言葉を使うことを好んできました。雪の結晶は塩、砂糖、ガチョウの羽のようなものです...

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よく注意してみると、ほとんどの雪の結晶には6枚の花びらがあることに気がつくでしょう。

すべての雪の結晶には花びらが6枚ありますか？雪が降るとなぜこのような形になるのでしょうか?同じ雪の結晶が2つありますか?これは雪片の形成プロセスから始まります。

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雪の結晶の形成:

氷結晶の主軸と副軸の間の「競争」

西漢の時代には、次のように要約した人がいました。「植物の花のほとんどは花びらが 5 枚ですが、雪の結晶には花びらが 6 枚あります。」

現在では、高度な写真技術のおかげで、雪の結晶にはさまざまな形がありますが、そのほとんどが 6 枚の花びらを持っていることがわかります。

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雪片の本質は氷の結晶であり、氷核上の水蒸気の凝縮と成長によって形成される固体水和物です。これらは雪片の形成に必要な媒体であり、若い雪片とみなすことができます。

氷の結晶が成長するにつれて、さまざまな雪片が形成されます。

「雪が降っても寒くないが、雪が溶けると寒い」ということわざがありますが、これは空気中の水分が寒くなると熱を放出して氷の結晶に凝結し、雪が溶けると熱を吸収して水に変わるため、雪が降るときの気温は雪が溶けるときの気温よりも高くなることを意味します。

雪の結晶は、何もないところから自然に現れるわけではありません。彼らは、成層圏下の空気中にある肉眼では見えない微細な塵粒子を「結晶核」として頼らなければなりません。

結晶核は、塵を中心に気体の水分子とともに低温で形成される物質群です。磁石のように、周囲の気体水分子を継続的に吸収することができます。

水分子が層ごとにその周りに凝縮し、成長し続け、固体となり、相変化が完了します。

結晶核の成長形状には 2 つの傾向があります。1 つは、細長い六角柱状の結晶で、針のように両端が尖っている場合もあり、これを「針状結晶」と呼びます。

もう 1 つのタイプは、ナイフで切った鉛筆の削りくずのように見える、非常に薄い六角形の小板です。

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なぜ結晶核は2つの異なる方向に成長するのでしょうか?これは氷の結晶の構造に関係します。

他のすべての結晶と同様に、氷の結晶は規則的な幾何学的形状を持つという最も基本的な特性を持っています。

結晶上の結晶エッジの位置の決定を容易にするために、特定の規則に従って座標軸を人為的に選択し、それを結晶軸と呼びます。

六方晶系と呼ばれるタイプの結晶があり、これには 1 つの垂直軸と 3 つの水平軸の 4 つの結晶軸があります。

博物館で見る結晶と同様に、氷の結晶も六方晶系に属し、4 つの結晶軸を持ち、3 つの補助結晶軸と 1 つの主結晶軸に分かれています。

3 つの補助結晶軸は 60° の角度で交差して基底面を形成し、主軸はこの基底面に垂直です。次の図は氷の結晶の構造を理解するのに役立ちます。

氷結晶の結晶軸、画像出典: Wikipedia

水蒸気が氷の結晶に凝縮し、主軸が副軸よりも速く凝縮して非常に長く発達すると、氷の結晶は柱を形成します。

逆に、長軸が短軸よりも遅く凍ると、氷の結晶は薄片状に見えます。

最も一般的な雪片は六角形です。これは、主軸に沿った氷結晶の成長速度が、他の 3 つの補助軸の成長速度よりもはるかに遅いという事実によって生じます。

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氷結晶主軸の凝縮

これらの要因の影響を受ける

氷結晶の成長メカニズムを理解した後、雪片軸の成長速度に影響を与える要因を見てみましょう。雪片の主軸の成長は主に温度と湿度の影響を受けます。

まず、温度は氷の結晶が凝縮する速度に影響します。

気温が極端に低い場合、氷の結晶は成長する機会がなく、非常に小さな雪の結晶が形成されます。個々の氷の結晶を肉眼で直接観察することさえ困難です。

マイナス 30 度では氷の結晶が針状に凝縮しますが、0 度近くになると雪片の基部はほとんどが六角形に成長します。

第二に、湿度も結露率に影響します。

湿度は主に雲の中の水蒸気含有量によって決まります。空気中の湿度が低い場合、氷の結晶は非常にゆっくりと成長し、主に柱状結晶、針状結晶、および薄片や粉状の雪片などの板状結晶の 3 つの基本的な形状を形成します。

空気中の湿度が高いと、氷の結晶は成長するにつれて形を変え、おなじみの星形の雪片を形成します。

このようにして、雪片の形成プロセスを整理することができます。

前述したように、氷の結晶は空気中の水蒸気の凝縮によって形成されます。氷の結晶が成長すると、周囲の水蒸気を消費し、氷の結晶の周囲の水蒸気濃度が低下します。

水蒸気は氷の結晶に向かって拡散します。新たな水蒸気はまず氷の結晶の突起や角にぶつかり、そこで凝縮して氷の結晶を成長させ、突起部分は徐々に枝分かれしていきます。

その後、同じ理由で小枝や端に新しい枝や端が成長し、徐々におなじみの星形の雪の結晶が形成されました。

上記の理論に基づくと、星形の雪片の相対的な部分は対称であり、形とサイズは同じであるはずです。

しかし、大気中では、雪片は上記のように整然と成長するのではなく、気流や空気の組成などの影響を受け、その形はそれほど規則的ではありません。

さらに、氷の結晶は形成過程で常に動き続け、温度や湿度も常に変化し、ある形状を形成するのに適した環境から別の形状を形成するのに適した環境へと変化します。

たとえば、雪片のさまざまな部分は、さまざまな量の水蒸気と接触します。水蒸気に多くさらされた場所はより速く成長し、水蒸気にあまりさらされなかった場所はより遅く成長し、さまざまな異なる雪片の形を形成します。

さらに、科学者たちは実験を通じて、水蒸気のみの真空空間で形成される氷の結晶はほとんどが単一の三角柱であることを示しており、これは空気中の他のガスも雪片の形成に影響を与える可能性があることを示しています。

画像出典: http://www.snowcrystals.com

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"大雪"

これが形成された経緯です

個々の雪片の形はすでに多様であり、降るにつれてより大きな雪片に融合することがあります。

これは、衝突と摩擦によって熱が発生し、雪片同士がくっついているためかもしれませんし、雪片の上に水膜があり、表面張力によってくっついているためかもしれませんし、雪片自体が複雑な形と枝分かれをしており、雪片同士が「手を取り合って」形成されているためかもしれません。

天から地までの旅は非常に長い。条件が整えば、スノーフレークは複数の接続と結合を経て非常に大きくなることがあります。 「大雪」や「風に吹かれる柳の花穂」と呼ばれる現象は、複数の合併によって形成されます。人類がこれまでに観測した最大の雪片は直径38cmです。

もちろん、接着プロセスによって一部の雪片が壊れ、変形した雪片が形成される可能性があります。

ただし、1 つ注意しなければならないのは、雪の結晶は非常に軽いということです。 5,000～10,000個の雪片の重さは1グラムで、ガチョウの羽よりもはるかに軽いです。いわゆる「大雪」というのは少々大げさな表現だ。

雪の結晶は「美しい無駄」ではなく、非常に有用なものです。

私たちの祖先は雪の美しさへの愛を表現して、「玉龍」「玉粉」「銀栗」など、雪に多くの美しい名前を付けました。 「冬は麦を三重に掛け、来年は饅頭で寝る」という農業のことわざもあり、雪が農業の発展に貢献したことを物語っています。

雪の結晶は暖かさを保つだけでなく、翌年の作物の成長に必要な水分も供給します。 「縁起の良い雪は豊作を告げる」という評判があるのも不思議ではありません。

同時に、雪の結晶は科学者たちに多くのインスピレーションを与えてきました。

一方、雪の結晶は「空からの使者」と呼ばれています。日本の物理学者中谷宇吉郎博士はかつて、雪の結晶の形は気温の高さと水蒸気の量によって異なり、それによって大気の状態を推測できることを発見しました。

一方、雪片は本質的に氷の結晶であり、氷の結晶の脆さとはかなさから、科学的研究の難しい対象となっています。

17 世紀初頭、ドイツの科学者で博学者のヨハネス・ケプラーは雪の結晶の構造について考え始め、その後の世代も氷の結晶の形状に影響を与える要因の探究を続け、原子物理学の継続的な発展を促進しました。

今日でも、氷結晶の成長の性質を研究する熱心な研究者グループが存在します。

氷結晶の成長を妨げる要因は完全には解明されていないものの、関連する研究により凝縮物質物理学において一定の進歩が遂げられています。

また、薬物分子、半導体チップ、太陽電池、その他高品質の結晶の成長を伴う無数のアプリケーションの開発にも積極的な役割を果たしてきました。

雪の結晶成長モデル、画像出典: Wikipedia

降り積もる雪片はまるでエルフの群れのようで、世界に独特の魅力を加え、自然の神秘を秘め、私たちが探検するのを待っています。

制作 |科学普及中国

著者: 李珍、中国科学院大学長春光学・精密機械物理研究所

プロデューサー｜中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

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