物理学：物理学家解释了雪花为什么是如此薄而扁平的！科學頭條網

雪晶体呈现出各种各样美丽的形状。当这种晶体在云层中形成时，其板状分支的边缘仅约1微米（0.00004英寸）厚，使得边缘与剃刀刀片一样锋利。图片来源：Caltech / Libbrecht。

我们都听说没有两个雪花是一样的。加州理工学院物理学教授Kenneth Libbrecht将告诉你，这与雪晶体形成的云层中不断变化的条件有关。现在，Libbrecht，俗称雪花大师，已经揭示了雪花科学中的一个大难题：为什么规范的六臂“恒星”雪花如此薄而扁平。

很少有人密切注意雪晶（即雪花）从天而降的形态。但是在20世纪90年代末期，Libbrecht对小白色小桌布的兴趣被激发了。直到那时，物理学家一直致力于更好地了解太阳并探测宇宙引力波，这篇文章描述了一种描述许多常见雪花结构之一的文章 - 一个带帽的柱子，在显微镜下看起来就像一个冰冷的线轴。像所有人一样，这种雪花开始像六角形冰晶一样。随着它的生长，从空气中积聚水分子，它形成一个小柱子。然后它遇到云中其他地方的条件，促进板状结构的生长，因此它最终在柱的两端都有板状盖子。

“我读过关于上限的栏目，我只是想，“我在雪国长大。为什么我从来没有见过其中的一个？”Libbrecht说。下次他回到北达科他州时，他抓起一个放大镜向外面走去。“我看到了上限的柱子。我看到了所有这些不同的雪花，”他说。“这很容易。只是我从未看过。”

这个不寻常的雪晶，由安大略省北部的Libbrecht拍摄，显示出锐化效果。它是一种“加盖柱”晶体 - 两个板连接在厚柱状晶体的末端。在这种情况下，每个板都分成一对更薄的板，在放大的插图中看到边缘。这些较薄板的边缘与剃刀刀片一样锋利，通过锐化效果形成。冰柱的总长度约为1.5毫米。图片来源：Caltech / Libbrecht。

从那以后，他出版了七本雪花照片书，其中包括其他热切的雪花观察者的实地指南。他的雪花图片库拥有超过10,000张照片。但Libbrecht是一名物理学家，因此除了捕捉令人惊叹的图片之外，他还想了解决定冰晶如何生长的分子动力学。为此，他开发了在实验室中生长和分析雪花的方法。

现在，Libbrecht相信他正在解释雪花科学的一个主要突出问题 - 这个问题是他多年前对封装柱子最初兴趣的核心问题。科学家已经知道超过75年，在冰雪产生的云中通常发现的条件下，冰晶遵循标准的生长模式：接近-2°C，它们会长成薄的板状形式; 接近-5°C，它们会形成细长的柱子和针头; 在-15°C附近，它们变得非常薄; 在温度低于-30°C时，它们会回到色谱柱上。但是没有人能够解释为什么这种相对较小的温度变化会使雪花结构发生如此剧烈的变化。

雪晶在不同温度下会长成不同的形状。究竟为什么会发生这种情况仍然是一个科学的谜团。图片来源：Caltech / Libbrecht。

Libbrecht用最薄，最大的板状雪花开始他的观察，它在-15°C高湿度下形成。这些雪花中的一些与剃刀刀片的边缘一样锋利。“我在实验中发现的东西，”Libbrecht说，“是一种增长不稳定或锐化效应。” 他注意到，当雪晶在-15°C时发展，顶部边缘开始形成一个凸起的凸起，在尖端处变得尖锐。基本上，角落向潮湿的空气伸出一点点，因此它们生长得更快。一个循环开始：“一旦壁架变得更尖锐，它就会变得更快，如果它变得更快，那么它会变得更加清晰，产生积极的反馈效果，”Libbrecht说。“在大气中，它会变得越来越大，越来越薄。

如果这种锐化效应发生在其他可能的温度下，则它解释了温度的微小变化如何产生如此大幅变化的雪花结构。“锐化效应可以通过改变方向产生薄板或细长柱，”Libbrecht说。“这是一个很大的难题，因为现在你不需要做出这些巨大的变化来获得不同的结构。你只需解释为什么不稳定性提示在某些温度下生产板材，以及在其他温度下制作柱子的技巧锐化效果的翻转很好地解释了当温度变化几度时冰的生长速率如何变化1000倍。

Libbrecht还不能完全解释产生锐化效应的潜在分子机制，或者究竟为什么不同温度会导致生长雪晶的不同面上的锐化。“但是，”他说，“这是雪花科学的一个真正进步。现在你可以解释为什么板子很薄而柱子很高。”