スノーフレーク

雪片は、十分な大きさになり、他の結晶と融合した可能性のある単一の氷結晶であり、地球の大気圏を雪として落下する。^{[1] [2] [3]各片は、}過冷却された雲の水滴を引き付けることで、過飽和の気団内の小さな粒子の周囲に核形成し、凍結して結晶の形で凝集する。片が大気中の異なる温度と湿度のゾーンを通過すると複雑な形状が現れ、個々の雪片は互いに細部が異なりますが、8つの大まかな分類と少なくとも80の個別の変種に分類できます。組み合わせが発生する可能性のある氷結晶の主な構成形状は、針状、柱状、板状、および霧氷です。雪は透明な氷でできているにもかかわらず、白く見えます。これは、雪片の小さな結晶面による光の全スペクトルの拡散反射によるものです。^[4]

雪片は、水分を豊富に含んだ氷点下の空気塊内の鉱物または有機粒子の周囲に核を形成します。雪片は、六角形の形成の初期結晶に正味の付加によって成長します。凝集力は主に静電気です。

温暖な雲では、エアロゾル粒子または「氷核」が雲滴の中に（または雲滴と接触して）核として作用する必要があります。氷核を作る粒子は、液体雲滴が形成される核に比べて非常にまれですが、何が氷核を効率的にするのかはわかっていません。粘土、砂漠の塵、生物学的粒子は効果的かもしれませんが、^[5]どの程度効果があるかは不明です。人工核にはヨウ化銀やドライアイスの粒子があり、これらは雲の種まきで降水を促進するために使用されます。^[6]実験では、雲滴の「均一な」核形成は、-35 °C（-31 °F）未満の温度でのみ発生することが示されています。^[7]

水滴が氷核として凍結すると、過飽和環境（氷点下の平衡点を超えて液体の水分が氷と共存する環境）で成長します。次に、空気中の水分子（蒸気）が氷の結晶表面に堆積して集まり、水滴が成長します。水滴は氷の結晶よりもはるかに多く、その豊富さゆえに氷の結晶は水滴を犠牲にして数百マイクロメートルまたはミリメートルの大きさに成長することができます。このプロセスは、ウェゲナー・ベルジェロン・フィンダイゼン過程として知られています。対応する水蒸気の枯渇により水滴が蒸発し、つまり水滴を犠牲にして氷の結晶が成長することを意味します。これらの大きな結晶は、質量があるため大気中を落下し、衝突してクラスターまたは凝集体になる可能性があるため、効率的な降水源となります。これらの凝集体は通常、地面に落ちるタイプの氷粒子です。^[8] ギネス世界記録は、 1887年1月にモンタナ州フォート・キーオで観測された世界最大の集合雪片を記載しており、幅は15インチ（38cm）と主張されている。これは、集合雪片の幅が通常記録される3インチまたは4インチの範囲を大きく超える。10セント硬貨大（直径17.91mm）の単結晶も観測されている。^{[3]霧氷に包まれた雪片は、}あられと呼ばれる球状になる。

氷自体は透明ですが、雪は雪片の小さな結晶面による光の散乱によって光の全スペクトルが拡散反射されるため、通常は白く見えます。^[4]

雪片の形は、形成される温度と湿度によって大まかに決まります。^[8]まれに、気温が約 -2 °C (28 °F) のときに、雪片が 3 倍対称、つまり三角形の雪片になることがあります。^[9]一般的に対称形と表現されますが、ほとんどの雪片は不規則な形をしています。典型的な雪片は推定 10 ¹⁹ (10 京) 個の水分子で構成されているため、 2 つの雪片が同じになることはほとんどありません。 ^[10]水分子は、雪片が地面に落ちる途中で通過する大気中の変化する温度と湿度に応じて、異なる速度と異なるパターンで成長します。^[11]同じに見えても分子レベルで異なる可能性がある雪片は、管理された条件下で生成されています。^[12]

雪片は完全に対称になることはありませんが、凝集していない雪片の成長は、氷の六角形の結晶構造から生じる6回対称に近いことがよくあります。 ^[13]その段階では、雪片は小さな六角形の形状をしています。雪片の6つの「腕」、つまり樹状突起は、六角形の各角から独立して成長し、各腕の両側は独立して成長します。雪片が雲を突き抜けると、雪片が成長する微小環境は動的に変化し、温度と湿度のわずかな変化が水分子が雪片に付着する方法に影響します。雪片の周りの微小環境（およびその変化）はほぼ同じであるため、各腕はほぼ同じように成長する傾向があります。ただし、同じ微小環境にあるからといって、各腕が同じように成長するとは限りません。実際、いくつかの結晶形態ではそうではありません。なぜなら、基礎となる結晶成長メカニズムも、結晶の各表面領域が成長する速度に影響を与えるからです。^[14] 経験的研究によると、理想的な6回対称の形状を示す雪片は0.1％未満です。 [ ^15]非常にまれに、12本の枝分かれした雪片が観察されますが、それらは6回対称性を維持しています。^[16]

雪の結晶は多種多様な複雑な形をしており、「同じものは二つとない」という考えが広まっている。実験室ではほぼ同一の雪の結晶が作られているが、自然界で見つかる可能性は非常に低い。^{[18] [10] [19] [20]} 1885年以降、ウィルソン・アルウィン・ベントレーが顕微鏡で何千もの雪の結晶を撮影し、同一の雪の結晶を見つけようとする最初の試みによって、今日知られている多種多様な雪の結晶が発見された。

中谷宇吉郎は結晶形態図を作成し、結晶の形状とそれが形成される温度および湿度条件を関連付けました。これは次の表にまとめられています。^[21]

雪の結晶の形は、主に形成される温度と湿度によって決まります。^[8]空気を−3℃（27℉）まで凍らせると、平面結晶（薄くて平ら）が形成されます。さらに低い−8℃（18℉）までの低温の空気では、結晶は中空の柱、角柱、または針として形成されます。−22℃（−8℉）の低温の空気では、形状は再び板状になり、分岐または樹枝状の特徴を呈することがよくあります。−22℃（−8℉）未満の温度では、結晶は飽和度に応じて板状または柱状になります。中谷が発見したように、形状は、優勢な水分が飽和度以上か以下かによっても異なります。飽和線より下の形状は、より固体で緻密になる傾向があります。過飽和の空気で形成される結晶は、よりレース状で繊細で装飾的になる傾向があります。条件や氷核に応じて、側平面、弾丸ロゼット、平面型など、より複雑な成長パターンも形成されます。^{[22] [23] [24]}結晶が約-5°C（23°F）の柱状成長モードで形成を開始し、その後より暖かい板状モードに移行すると、板状または樹枝状の結晶が柱の端に芽生え、いわゆる「キャップドコラム」が形成されます。^[8]

マゴノとリーは、新しく形成された雪の結晶を80種類の異なる形状に分類した。それらは以下の主なカテゴリーに分類されている（記号付き）。^[25]

• 針状結晶（N） - 針状結晶単体と針状結晶の組み合わせに分類される
• 柱状結晶（C） – 柱状結晶は、単純柱状結晶と柱状結晶の組み合わせに分類されます。
• 板状結晶 (P) – 1 つの平面にある規則的な結晶、延長部を持つ平面結晶、不規則な数の枝を持つ結晶、12 の枝を持つ結晶、奇形の結晶、平面枝の放射状の集合体に細分されます。
• 柱状結晶と板状結晶の組み合わせ（CP） - 両端に平面結晶がある柱状結晶、平面結晶がある弾丸状結晶、両端に空間拡張がある平面結晶に分類されます。
• 拡張された側面を持つ柱状結晶（S） - 側面、鱗片状側面、側面の組み合わせ、弾丸、柱に細分化されます
• 霜晶（R） – 霜晶、濃霜晶、霰状晶、霰に細分される。
• 不規則な雪の結晶（I） - 氷の粒子、霜のついた粒子、結晶の破片、その他に分類されます。
• 雪の結晶の胚芽（G） - 微細柱状、骨格状の胚芽、微細六角板状、微細星状結晶、微細板状集合体、不規則胚芽に細分される。

彼らはそれぞれを顕微鏡写真で記録した。^[26]

国際地上季節積雪分類は、地上に積もった雪の結晶の分類を規定しており、その分類には粒子の形状や粒径が含まれる。また、このシステムは、個々の結晶が変成して合体するにつれて、積雪の特徴も規定している。^[27]

雪の結晶は、特にヨーロッパや北アメリカでは、クリスマスシーズンによく使われる伝統的な季節のイメージやモチーフです。キリスト教の祝祭であるクリスマスは、キリスト教の信仰によれば人類の罪を償うイエスの受肉を祝うものです。そのため、ヨーロッパや北アメリカのクリスマスの伝統では、雪の結晶は純潔の象徴です。^{[28] [29]}また、雪の結晶は伝統的に、クリスマスの時期によく見られる「ホワイトクリスマス」の天候と関連しています。 ^[29]この時期には、紙を数回折り、はさみで模様を切り取って広げ、紙の雪の結晶を作るのが一般的です。 ^{[30] [31]}イザヤ書では、罪の償いによって罪が神の前に「雪のように白く」見えると述べられています（イザヤ書 1:18 参照）。^[29]

雪の結晶は、冬や寒さを表すシンボルとしてもよく使われます。例えば、厳しい冬の運転条件でのトラクションを高めるスノータイヤには、山のシンボルの上に雪の結晶が描かれています。 ^[32]図案化された雪の結晶は、1968年冬季オリンピック、 1972年冬季オリンピック、 1984年冬季オリンピック、1988年冬季オリンピック、1998年冬季オリンピック、2002年冬季オリンピックのエンブレムの一部となっています。^{[33] [34]}

カナダ勲章（国家栄誉制度）に使用される6つの尖った六角形の雪の結晶は、カナダ人の北方の伝統と多様性を象徴するようになりました。^[35]

紋章学では、雪の結晶は様式化された紋章です。Unicode では、3 つの異なる雪の結晶のシンボルがエンコードされています。「雪の結晶」は U+2744 (❄)、「密集した三つ葉の雪の結晶」は U+2745 (❅)、「太いシェブロンの雪の結晶」は U+2746 (❆) です。

唐代には、詩の中で雪の結晶が道や天の川銀河の宇宙エネルギーの象徴として使われることもあった。^[36]

ウィルソン・ベントレー（1865-1931） が撮影した写真の一部：

新雪の結晶を詳細に撮影した写真研究では、ベントレーの写真に表現されているような単純な対称性は稀であることが示されています。^[37]

• コッホスノーフレーク– 雪の結晶に似た数学的な曲線。
• 雪花図説– 19 世紀に日本で書かれた雪の結晶の形に関するガイド。
• セルブローゼ— 雪の結晶と間違われることもある、8 つの先端を持つ花のデザイン。
• スノーフレーク研究のタイムライン

• ケネス G. リブブレヒト(2006)。ケン・リブブレヒトの雪片のフィールドガイド。ヴォイジャープレス。ISBN 978-0-7603-2645-9。

ウィキメディア・コモンズには、スノーフレークに関連するメディアがあります。

• カリフォルニア工科大学のケネス・G・リブブレヒト教授による、雪片形成のパラメータに関する情報：
  • 概要
  • 雪の結晶と氷の結晶のオンラインガイド
  • インタビュー動画