編譯：集智俱樂部翻譯組

來源：knowablemagazine

原題：How snowflakes grow

Ken Libbrecht從小在北達(dá)科他州（North Dakota）長(zhǎng)大，對(duì)雪十分熟悉。后來，他來到了加利福尼亞理工學(xué)院（the California Institute of Technology），成為了一名物理學(xué)家。在這個(gè)溫暖的地方，他沉醉在了兒時(shí)所見的雪花們的科學(xué)世界里。

研究晶體生長(zhǎng)的時(shí)候，Libbrecht迷上了與冰相關(guān)的物理學(xué)，并很快成為雪花領(lǐng)域的一流專家。寒冬時(shí)節(jié)，他來到密歇根州，安大略省和其他北方地區(qū)，并在旅途中，利用顯微鏡捕獲和拍攝了冰晶的圖像。在Pasadena陽(yáng)光明媚的實(shí)驗(yàn)室里，他建造了一個(gè)冷室，在那里培育自己的雪花。

加州理工學(xué)院物理學(xué)教授Ken Libbrecht

多年來，Libbrecht積累了無數(shù)的雪花樣例，比如經(jīng)典的六分枝形、盤形、圓柱形、棱柱形，以及其他霜凍形式的雪花。在發(fā)表于 Annual Review of Materials Research 期刊的一項(xiàng)研究中，Libbrecht探索了影響冰晶生長(zhǎng)的因素，并成功將簡(jiǎn)單的水轉(zhuǎn)變成了美麗的結(jié)晶。

然而，要研究雪花，仍然需要學(xué)習(xí)大量的物理學(xué)知識(shí)?！爱?dāng)我開始研究冰的時(shí)候，我才驚訝地發(fā)現(xiàn)，過去50年中，我們所做的工作是如此之少，”Libbrecht說道，“我們只看到雪花從天而降，卻并不清楚它是如何形成的?！?/span>

每片雪花都是一個(gè)小冰晶，在大氣內(nèi)的水蒸氣里凝結(jié)而成。但是，在雪花形成過程中，由于溫度、濕度、風(fēng)，以及其他因素的影響，每片雪花每時(shí)每刻都存在不同的生長(zhǎng)速度，從而形成與之前的雪花完全不同的圖案。對(duì)于Libbrecht來說，只需要觀察落下的雪花的類型——不管是片狀，盤狀，柱狀還是其他形狀，他都可以精確定位高空中云層的溫度和濕度。

在實(shí)驗(yàn)室里，Libbrecht一直探索著相關(guān)的科學(xué)問題，例如空氣和生長(zhǎng)的晶體之間的相互作用，是如何影響其最終形狀的。此外，他也研究雪花的藝術(shù)性——比如，為了產(chǎn)生新的晶體圖案，需要制造出比自然界中大得多的雪花。（普通的雪花可能寬3毫米，但Libbrecht希望他計(jì)劃中的“超級(jí)雪花”達(dá)到1厘米。）

雪花郵票

正是這種物理學(xué)和大自然奇觀的結(jié)合，吸引Libbrecht再次回到了雪的世界?！斑@其中的復(fù)雜性和對(duì)稱性，讓它們變得如此美麗，”他講道，“科學(xué)是迷人的，但藝術(shù)也同樣很有趣?！?他提供的雪花圖像，被印制成了精美的郵票。

此外，迪士尼電影《冰雪奇緣》也特意向他咨詢了雪花的呈現(xiàn)方式。Libbrecht確保落在Elsa，Anna和他們朋友身上的每一片數(shù)字渲染的雪花，都是六邊形的——而不是有時(shí)被錯(cuò)誤展示的八邊形的樣子。

Libbrecht評(píng)價(jià)說：“它們用自己小小的方式，讓整部電影變得更精致。用指尖喚出雪花是可行的，但它們必須看起來像真正的雪花。”

冰晶的原理

來源：K.LIBBRECHT

當(dāng)云中的一滴水，凝結(jié)在微小的塵埃粒子周圍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一顆小冰心，這就是每片雪花的開始。這一過程發(fā)生在大約-6~-15℃之間（低于水的凝固點(diǎn)），灰塵顆粒則是水滴凍結(jié)時(shí)的內(nèi)核。緊接著，冰晶內(nèi)核開始捕獲附近漂浮的水蒸氣分子，這些水蒸氣被凍結(jié)在晶體上，讓晶體得以生長(zhǎng)。

大約半小時(shí)的時(shí)間里，晶體不斷變大，直到它變得足夠沉重，這時(shí)，不再有額外的水蒸氣被它捕獲，晶體從云層中掉落下來。科學(xué)家們把這種方式形成的小冰晶，稱為“雪晶”（snow crystal）。對(duì)我們來說，這就是一片雪花。

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刻面（factes）是塑造雪花生長(zhǎng)的一個(gè)關(guān)鍵過程。從側(cè)面看過去，六角形的棱柱具有精美銳利的刻面。水分子附著在初始晶種上，就產(chǎn)生了這個(gè)結(jié)構(gòu)。每個(gè)水分子都希望抓住盡可能多的其他水分子，之后，它們自然而然地自組織成一種模式，使分子之間的接觸最大化，并產(chǎn)生了六個(gè)光滑的刻面。（在桌子上放一枚硬幣，每枚硬幣都盡可能多的接觸其他的硬幣，最終會(huì)得到一個(gè)類似的六邊形圖案。）有時(shí)，雪花會(huì)繼續(xù)通過刻面生長(zhǎng)，產(chǎn)生一個(gè)如圖所示的大六邊形晶體。

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分支（branch）是決定雪花如何生長(zhǎng)的第二個(gè)關(guān)鍵過程。想象一個(gè)六邊形的初始晶種，水分子更喜歡附著在粗糙表面上，而六邊形的角部是相對(duì)來說粗糙的地方。因此，開始時(shí)，水蒸氣通常會(huì)積聚在六個(gè)角上。之后，每個(gè)角落的小結(jié)晶很快就會(huì)變成一個(gè)較大的結(jié)晶，緊接著整個(gè)晶體開始分支。每個(gè)分支都保留了反映水分子晶格特征的 60° 角。

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每一片雪花都誕生和生長(zhǎng)在一個(gè)獨(dú)一無二的環(huán)境中，因此，雪花有著無窮無盡的種類。大氣中可用的水蒸氣量，以及晶體隨著其生長(zhǎng)而下降的溫度，決定了每片雪花獨(dú)一無二的外形。即使在同一天氣系統(tǒng)中并排落下的雪花，外觀也各有差異。

較高的濕度會(huì)帶來更快的生長(zhǎng)和更精細(xì)的分支; 當(dāng)濕度相對(duì)較高，溫度在-15℃左右時(shí)，會(huì)形成“樹枝狀晶體”這種最大最錯(cuò)綜復(fù)雜的雪花。值得注意的是，在這種快速生長(zhǎng)的晶體中，位于6個(gè)主要分支兩側(cè)的粗短分支，并不是完美對(duì)稱的。這些差異反映了晶體在形成時(shí)的環(huán)境變化。

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除了漂亮的六邊形晶體，雪花也有其他各式各樣的形狀和大小。圖中的晶體是星盤形雪花的一個(gè)例子。盤形晶體形成于大約-2℃和-15℃這兩種不同的溫度下。它們對(duì)環(huán)境條件的微小變化極其敏感——增加一點(diǎn)點(diǎn)額外的濕度，就會(huì)變成更引入注目的樹枝狀結(jié)晶體。

等你欣賞的各式各樣雪花：

https://culter./~kittel/Snow&IceCrystals_PhysTday_Furukawad07.pdf

同時(shí)，不斷變化的生長(zhǎng)條件可能會(huì)在晶體內(nèi)留下漣漪，就像這個(gè)晶體中心附近呈現(xiàn)的樣子；環(huán)境的變化也可能會(huì)留下隆起的脊，就像六個(gè)小盤外邊緣的輪廓一樣。一片典型的雪花只要30分鐘就可以形成，這些復(fù)雜的圖案反映了僅僅半小時(shí)內(nèi)雪花所經(jīng)歷的環(huán)境變化。

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與其多分支的表兄弟相比，柱狀晶體長(zhǎng)得又長(zhǎng)又細(xì)，就像冰冷的木制鉛筆。柱的端部通常生長(zhǎng)得比較快，中心明顯跟不上兩端的生長(zhǎng)速度，兩端就會(huì)呈現(xiàn)出被挖空的狀態(tài)。最終，中心完全停止增長(zhǎng)，晶體在每端都呈現(xiàn)出小的錐形氣泡，這些特征可能反映了柱的末端被挖空時(shí)溫度的變化。

柱狀晶體通常在-5℃左右形成，剛好低于水的冰點(diǎn)。濕度很高時(shí)，它們可以長(zhǎng)到3毫米長(zhǎng)，細(xì)細(xì)長(zhǎng)長(zhǎng)的樣子，被稱為“針狀晶體”。細(xì)長(zhǎng)的晶體簇非常常見，可以用肉眼看到，看起來就像從空中飄落白發(fā)片段。

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冰晶形成后，常常會(huì)遇到其它的水蒸氣液滴，這些水滴在晶體結(jié)構(gòu)上凍結(jié)，形成一種稱為霜的涂層。有時(shí)，霜很厚，晶體看起來毛茸茸的; 有時(shí)，霜比較稀少，看起來就像晶體外裹了一層裝飾糖果。

這種顆粒狀的霜晶還會(huì)呈現(xiàn)出其他方面的形態(tài)。它們碰撞并凍結(jié)形成一個(gè)大的六角形晶體，然后又開始不斷生長(zhǎng)。微小的霜狀顆粒本身也是六邊形的，與大晶體的側(cè)面方向相匹配。該圖案表明霜狀顆粒中，水分子結(jié)構(gòu)與內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)是一致的，它們已經(jīng)合并成了一個(gè)單晶實(shí)體。

來源：K.LIBBRECHT

在 Michigan 的 Houghton 城外，Libbrecht見過一種特別的雪花。誕生時(shí)，這種樣子古怪的雪花，像一個(gè)非常細(xì)的柱形晶體，幾乎像一根針。之后，它遇到了一些水滴，凍結(jié)的水滴為它裹上了一層霜的外衣，整個(gè)柱子上出現(xiàn)了一點(diǎn)點(diǎn)冰。

接下來，晶體漂浮到云層的其他部位，在那里，溫度可能下降到了-10或-15℃（盤面得以生長(zhǎng)的溫度）。然后，霧滴開始向外生長(zhǎng)出一束小冰盤，它們看起來像垂直于主晶體的橫向盤面?！耙粋€(gè)晶體有這樣的生長(zhǎng)過程，這真是太不尋常了，”Libbrecht感嘆道，“這些突然而瘋狂的事情只出現(xiàn)了10分鐘，之后就結(jié)束了?！?/span>

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從外部看起來，這些晶體似乎是完美的，但變形的小冰心暴露了它復(fù)雜的形成過程。雪花開始的樣子，像一個(gè)簡(jiǎn)單的六棱柱，每個(gè)角落的末端都像一個(gè)線軸。很快，條件轉(zhuǎn)向支持雪片一端的一側(cè)和雪片另一端相反的一側(cè)的增長(zhǎng)。

晶體的左側(cè)奪取了空氣中的水蒸氣，并向外生長(zhǎng)；右側(cè)卻沿向內(nèi)的方向生長(zhǎng)。在晶體的正中心位置，仍然能夠看到一個(gè)小小的橢圓形，也就是連接兩側(cè)雪片的薄柱。

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圖里這種雪花的冰心暴露了它是人造的事實(shí)——自然界中永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)現(xiàn)這種蜘蛛網(wǎng)式的圖案。

Libbrecht在冷室中，用一個(gè)微小的冰晶種創(chuàng)造了這種合成雪花。他為它提供了水蒸氣分子，同時(shí)調(diào)整了環(huán)境的溫度。冰晶生長(zhǎng)的過程中，留下了溫度變化的印記——以蜘蛛網(wǎng)的形式——就像年輪保留著周圍環(huán)境變化的記錄一樣。

最終，蜘蛛網(wǎng)的角落長(zhǎng)出了新枝，新枝又在其末端產(chǎn)生了新的盤狀晶體。制作晶體的整個(gè)過程花了將近兩個(gè)小時(shí)，比產(chǎn)生一片天然雪花所需的時(shí)間要慢得多，并排合成的晶體也幾乎是相同的。

翻譯：尚奇奇

編輯：王怡藺

原文地址：

https://www./article/physical-world/2017/how-snowflakes-grow