雪の結晶

雪の結晶は、地球の大気圏を雪として落下するのに十分な大きさの単一の氷の結晶です。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}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、雪の結晶の多くの小さな結晶面が太陽光を散乱させるためです。^{[ 4 ]}

雪片は、核と呼ばれる小さな粒子を中心に形成され、水滴が集まって凍り、ゆっくりと結晶を形成します。雪片が大気中のさまざまな温度と湿度のゾーンを通過するにつれて複雑な形状が現れ、他の雪片と結合することもあります。そのため、雪片は互いに非常に異なる外観をしています。しかし、雪片は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。氷の結晶の主な構成要素の形状は、針状、柱状、板状、樹氷状です。

雪片は、水分が飽和した氷点下の気団中の鉱物または有機粒子を中心に核形成されます。それらは、初期結晶への正味の付着によって六角形構造に成長します。凝集力は主に静電気によるものです。^{[ 5 ]}

成長

水滴が氷核として凍結すると、過飽和環境（氷点下の温度で平衡点を超えて液体の水と氷が共存する環境）で成長します。水滴は、空気中の水分子（水蒸気）が氷結晶の表面に付着して成長します。水滴は氷結晶よりもはるかに多く存在するため、氷結晶​​は水滴を消費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まで成長することができます。このプロセスは、ウェゲナー・ベルジュロン・フィンダイゼン過程として知られています。^{[ 9 ]}

水蒸気の減少に伴い水滴が蒸発し、その結果、氷の結晶が水滴を消費して成長する。これらの大きな結晶は質量によって大気中を落下し、衝突して塊や凝集体を形成するため、効率的な降水源となる。これらの凝集体は通常、地上に落下する氷の粒子の種類である。^{[ 10 ]}

ギネス世界記録には、世界最大の集合雪片として、1887年1月にモンタナ州フォート・キーオで観測されたものが挙げられており、その幅は38cm （15インチ）とされています。これは、通常記録されている集合雪片の幅7.5cmまたは10cm （3インチまたは4インチ）の範囲をはるかに超えています。10セント硬貨（直径18mmまたは0.705インチ）ほどの大きさの単結晶も観測されています。 ^{[ 3 ]}樹氷に包まれた雪片は、霰と呼ばれる球状になります。^{[ 11 ]}   

外観

色

氷自体は透明だが、雪は通常、雪を構成する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、白色に見える。^{[ 4 ]}

形

雪の結晶の形は、形成時の温度と湿度によって大きく左右されます。^{[ 10 ]}まれに、約-2 ℃（28 °F）の温度で、三重対称の三角形の雪の結晶が形成されることがあります。 ^{[ 12 ]}雪の粒子は、対称的であると一般的に描かれていますが、ほとんどのものは不規則な形をしています。典型的な雪の結晶は、推定10¹⁹ ^（ 10京）個の水分子で構成されており、^{[ 13 ]}雪の結晶が地面に落下する途中で通過する大気中の温度と湿度の変化に応じて、異なる速度とパターンで成長するため、2つの雪の結晶が同じであることはまずありません。^{[ 14 ]}見た目は同じでも分子レベルでは異なる雪の結晶が、制御された条件下で成長したことがあります。^{[ 15 ]}  

雪の結晶は決して完全に左右対称ではありませんが、凝集していない雪の結晶の成長は、氷の六角形の結晶構造に由来する六回放射対称に近似することがよくあります。 ^{[ 16 ]}この段階では、雪の結晶は小さな六角形の形をしています。雪の結晶の6つの「腕」、つまり樹枝状突起は、六角形のそれぞれの角から独立して成長し、各腕の両側も独立して成長します。^{[ 17 ]}

雪片が成長する微小環境は、雪片が雲の中を落下するにつれて動的に変化し、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を与えます。雪片の周囲の微小環境（およびその変化）はほぼ同一であるため、各腕はほぼ同じように成長する傾向があります。しかし、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、結晶形態によってはそうではなく、結晶成長のメカニズムも結晶の各表面領域の成長速度に影響を与えます。^{[ 18 ]}

実証研究によると、理想的な六重対称の形状を示す雪片は0.1%未満である。^{[ 19 ]}ごくまれに12本の枝分かれした雪片が観察されるが、それらは六重対称性を維持している。^{[ 20 ]}

雪の結晶は多種多様な複雑な形に形成されるため、「同じものは二つとない」という考えにつながっています。実験室ではほぼ同じ雪の結晶が作られてきましたが、自然界でそのような結晶が見つかる可能性は非常に低いのです。^{[ 22 ] [ 13 ] [ 23 ] [ 24 ]} 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て同じ雪の結晶を見つけようとした最初の試みにより、今日私たちが知っている雪の結晶の多様性が明らかになりました。^{[ 25 ]}

中谷宇吉郎は結晶の形状と結晶が形成される温度および水分条件との関係を示す結晶形態図を作成し、それを次の表にまとめた。^{[ 26 ]}

雪の結晶の形は、主にそれが形成される温度と湿度によって決まります。^{[ 10 ]}空気が-3 ℃（27 °F）まで凍ると、 平面状の結晶（薄くて平らな結晶）が促進されます。-8 ℃（18 °F）までさらに冷たい空気では、結晶は中空の柱、柱、または針状になります。 -22 ℃（-8 °F）ほど冷たい空気では、形状は再び板状になり、枝分かれまたは樹枝状の特徴を持つことがよくあります。 - 22 ℃（ -8 °F）以下の温度では、飽和度に応じて、結晶は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より上か下かにも依存します。飽和線より下の形態は、より固体でコンパクトな傾向にあります。過飽和空気で形成された結晶は、よりレース状で繊細で装飾的な傾向にあります。条件や氷核によっては、側面、弾丸ロゼット、平面型など、より複雑な成長パターンも多数形成される。^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}結晶が約-5 ℃（23 °F）で柱状成長領域で形成され始め、その後、より暖かい板状領域に移行すると、柱の端に板状または樹枝状の結晶が芽生え、いわゆる「キャップ付き柱」が形成される。^{[ 10 ]}          

マゴノとリーは、新たに形成された雪の結晶の分類を考案し、80種類の異なる形状を分類しました。それらは、以下の主要なカテゴリ（記号付き）に分類されます。^{[ 30 ]}

• 針状結晶（N） – 細分化：単純な針状結晶と針状結晶の組み合わせ
• 柱状結晶（C）－単純柱状結晶と柱状結晶の組み合わせに分類される
• 板状結晶（P） – 以下のように分類される： 1つの平面上の規則的な結晶、延長部のある平面結晶、不規則な数の枝を持つ結晶、12本の枝を持つ結晶、奇形結晶、平面枝の放射状集合体
• 柱状結晶と板状結晶の組み合わせ（CP） – 以下のように細分化される：両端に平面結晶を持つ柱状結晶、平面結晶を持つ弾丸状結晶、両端に空間的な広がりを持つ平面結晶
• 柱状結晶で、側面が拡張している（S） – 側面、鱗状側面、側面の組み合わせ、弾丸、柱状に分類される。
• 氷結結晶（R） – 細分化：氷結結晶、濃密に氷結した結晶、霰状結晶、霰
• 不規則な雪の結晶（I）－細分化：氷の粒子、着氷した粒子、結晶の破片、その他
• 雪結晶の胚芽（G）－細分化：微小柱状結晶、骨格状結晶、微小六角板状結晶、微小星状結晶、微小板状結晶集合体、不規則結晶

彼らはそれぞれを顕微鏡写真で記録した。^{[ 31 ]}

国際季節積雪分類では、雪が地面に堆積した後の結晶の分類について、粒の形状や粒の大きさを含めて説明しています。このシステムでは、個々の結晶が変成して合体するにつれて、積雪層の特徴も示しています。^{[ 32 ]}

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、厳しい冬の運転状況でのトラクションを高めるスノータイヤには、山の上に雪の結晶のシンボルが付けられています。^{[ 33 ]}様式化された雪の結晶は、 1968 年、1972 年、1984 年、 1988 年、1998 年、 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。^{[ 34 ] [ 35 ]}

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贖うイエスの受肉を祝うものであり、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、雪の結晶は純粋さを象徴しています。^{[ 36 ] [ 37 ]}また、雪の結晶は、クリスマスの時期によく見られる「ホワイトクリスマス」の天候とも伝統的に関連付けられています。 ^{[ 37 ]}

カナダ勲章（国家栄誉制度）に使用されている、六角形の様式化された雪の結晶は、カナダ人の北部の遺産と多様性を象徴するようになった。^{[ 38 ]}

唐の時代には、詩の中の雪の結晶は、道の宇宙エネルギーや天の川銀河の象徴として用いられることがあった。^{[ 39 ]}

Unicodeには3種類の雪の結晶シンボルがエンコードされています。「snowflake」はU+2744（❄）、「tight trifoliate snowflake」はU+2745（❅）、そして「heavy chevron snowflake」はU+2746（❆）です。^{[ 40 ]}

ウィルソン・ベントレー（1865年～1931年）が撮影した写真の数々：

新鮮な雪の結晶の包括的な写真研究によると、ベントレーの写真に写っているような単純な対称性は稀である。^{[ 41 ]}

• コッホ曲線– 雪の結晶に似た数学的曲線
• 雪花図譜― 19世紀に日本で書かれた雪の結晶の形に関する手引書
• セルブロース― 雪の結晶と間違えられそうな、8つの花弁を持つ花模様。
• 雪の結晶研究のタイムライン

• リブブレヒト、ケネス G. (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。

• カリフォルニア工科大学のケネス・G・リブレヒト教授による、雪の結晶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に関するオンラインガイド
  • インタビュー動画