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氷結晶は、六角柱、六角板、樹枝状結晶などの対称的な形状の固体氷です。[1]氷結晶は、さまざまな大気の光学現象や雲の形成に関与しています。[1] [2]
形成
常温常圧では、水分子はV字型をしています。2つの水素原子は酸素原子と105°の角度で結合しています。[3]氷の結晶は六角形の結晶格子を持ち、つまり水分子は凍結すると層状の六角形に配列します。[1]
より寒く乾燥した大気からの結晶成長が遅いため、六角形の対称性が多くなります。[2]環境温度と湿度に応じて、氷の結晶は最初の六角柱から多くの対称形に成長します。[4]氷の結晶の形状は、柱状、針状、板状、樹枝状です。混合パターンも可能です。[1]対称形は、大気中の水蒸気から直接氷が形成される堆積 成長によるものです。 [5]大気粒子の小さな空間に水が集まり、凍結して氷の結晶を形成することもあります。[6] [7]これは核形成として知られています。[8] 雪片は、既存の氷の結晶の上で追加の蒸気が凍結すると形成されます。[9] [10]
三方晶と立方晶
過冷却水とは、氷点下でも液体である水を指します。[11]過冷却水から形成される氷結晶は、層状の六角形に積層欠陥があります。これにより、氷結晶は温度に応じて三方晶または立方晶の対称性を示します。三方晶または立方晶の結晶は、過冷却が発生する上層大気で形成されます。[12] [13]
四角い結晶
水はヘリウムなどの小さな分子とは異なり、積層されたグラフェン酸化物シートを通過することができます。2層のグラフェンの間に挟まれると、水は室温で四角い氷の結晶を形成します。研究者は、高圧と、すべての分子間に存在する引力であるファンデルワールス力が形成を促進していると考えています。この物質は氷の新しい結晶相です。[3] [14]
気象現象
氷の結晶は散乱と呼ばれるプロセスで光が結晶に反射することで、空にダイヤモンドダストや光輪のような光学現象を作り出します。[1] [2] [15]
巻雲と氷霧は氷の結晶でできています。[1] [16]巻雲は温暖前線が近づいている兆候であることが多く、温かく湿った空気が上昇して凍り、氷の結晶になります。[17] [18]氷の結晶が互いに擦れ合うことでも雷が発生します。[19] [20]結晶は通常水平に落ちますが、[21]電界によって結晶が凝集し、他の方向に落ちることもあります。[22] [23]
検出
航空宇宙産業は、危険な飛行条件を識別するために氷晶環境を検知できるレーダーの設計に取り組んでいます。氷晶は温かい航空機の表面に触れると溶け、環境条件により再凍結することがあります。エンジンの周りに氷が蓄積すると航空機が損傷します。[24] [25]天気予報では、差分反射気象レーダーを使用して、水滴の水平方向と垂直方向の長さを比較することで降水の種類を識別します。[26]氷晶は水平方向に大きくなるため[15]、検知可能です。
参照
参考文献
- ^ abcdef 「氷の結晶」。気象用語集。アメリカ気象学会。2023年3月29日閲覧。
- ^ abc 「氷結晶ハロー」。www.its.caltech.edu . 2023年3月30日閲覧。
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- ^ ヴィスコンティ、グイド（2001）。大気の物理と化学の基礎。ベルリン：シュプリンガー。ISBN 3-540-67420-9. OCLC 46320998.
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- ^ 米国商務省、NOAA。「デュアルポール製品」。www.weather.gov 。 2023年3月30日閲覧。
外部リンク
- SnowCrystals.com!、Caltechにて
- アメリカ気象学会用語集