为啥雪花长这样？

来源：石头科普工作室

说到雪花，大部分人都会想到冰雪奇缘这部迪士尼经典电影，但是笔者不得不来吐槽一下，迪士尼真的应该去花点钱去咨询一下专业人士雪花的构造。例如这个冰雪奇缘二海报上这个雪花就不符合地球物理的规则。接下来，笔者会大致的介绍一下雪花的结构和形成原理。

大部分人对于雪花的印象来源于1931的一本书及其衍生作品——《雪花》。这本书的作者，宾利·威尔逊，是雪花的第一狂热粉丝。从 1885 年的第一张照片开始，宾利拍摄了 5000 多块雪花。这不是最恐怖的，最恐怖的是他会挑选拍摄的雪花，要是一堆雪花中没有他看上的，他就会用羽毛扫掉，重新收集新的雪晶。而他收集雪晶的方法也很简单粗暴，就是在雪天等待雪花落到玻璃上，然后他拿到室外的仪器下拍摄。

https://snowflakebentley.com/biography

上图就出现在诸多雪花的衍生作品中。

当然了，除了艺术中，神奇的雪花在科学界也占有一席之地。早在1611年，开普勒（就是发现开普勒定律的那个）就着手研究雪花，而后有一个日本的物理学家Nakaya在1930年代仔细研究了雪晶形成的原因和条件。

他不仅对不同气象条件下的天然雪晶进行了分类，还是第一个在受控环境下在实验室中培育合成雪晶的人。Nakaya 观察了在不同温度和过饱和度下出现的不同生长形态，并将这些观察结果组合成所谓的雪晶形态图，如下图所示。

在解释为什么雪花会有这样的变化之前，我们首先考虑雪花是怎么形成的。

雪花的初始形态只是一粒超小的冰晶。当很多过冷状态的水蒸气和一粒超小的杂质碰在一起，就会发生凝结核，形成这颗超小的底面大致为正六边形的冰晶。

因为六个角更容易接触到水蒸气，所以六个角最先形成分叉，也就是形成我们看到的雪花分枝的样子。这个很好理解，离冰晶远一点的水蒸气没有加入到结晶的过程，而冰晶的那六个角就是离冰晶中心最远的，就离其他水蒸气更近，也就更容易形成新的结晶。这个过程会形成一个正向反馈——离得越远结晶越快。

当然雪花在自然条件下也不可能静止在那里结晶——雪花会因为空气的流动而变化，准确来说，是因为空气的流动带来的湿度和温度的变化。这也是为什么我们看到的雪花的形状千姿百态。

而雪花各个面受到相同的天气影响，从而各个面的延伸速度在那个时刻是相同的，这也是为什么我们看到的雪花都是对称的。而各个雪花在同一个云层中运动的轨迹是不同的，所以它们的形状也是不同的，这就是为什么在自然条件下，没有两片雪花是一样的。

但是在实验室中，科学家们可以控制这些条件。下面一张图就是K G Libbrecht 在实验中制作的两片雪花，他们几乎看上去一模一样。所以“没有一片雪花是一样的”的名言也就不那么浪漫了。

http://snowcrystals.com/

现在，我们回到这张图来回答一下，为什么雪花的形状会随着温度湿度变化而变化？

KG Libbrecht提出来一个物理模型——SDAK——来解释这张图。

简单来说就是凝结核需要能量，在不同温度下，棱面和底面凝结核所需要的能量不同，从而导致这两种面的生长速度不同，具体的理论可以参考下面的论文链接： 

https://arxiv.org/pdf/1910.09067.pdf

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作者：陆迩塽

美编：刘俞伶

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编辑：六块钱的鱼