物理學：物理學家解釋了雪花為什麼是如此薄而扁平的！
雪晶體呈現出各種各樣美麗的形狀。當這種晶體在雲層中形成時，其板狀分支的邊緣僅約1微米（0.00004英寸）厚，使得邊緣與剃刀刀片一樣鋒利。圖片來源：Caltech / Libbrecht。
我們都聽說沒有兩個雪花是一樣的。加州理工學院物理學教授Kenneth Libbrecht將告訴你，這與雪晶體形成的雲層中不斷變化的條件有關。現在，Libbrecht，俗稱雪花大師，已經揭示了雪花科學中的一個大難題：為什麼規範的六臂“恆星”雪花如此薄而扁平。
很少有人密切注意雪晶（即雪花）從天而降的形態。但是在20世紀90年代末期，Libbrecht對小白色小桌布的興趣被激發了。直到那時，物理學家一直致力於更好地瞭解太陽並探測宇宙引力波，這篇文章描述了一種描述許多常見雪花結構之一的文章 - 一個帶帽的柱子，在顯微鏡下看起來就像一個冰冷的線軸。像所有人一樣，這種雪花開始像六角形冰晶一樣。隨著它的生長，從空氣中積聚水分子，它形成一個小柱子。然後它遇到雲中其他地方的條件，促進板狀結構的生長，因此它最終在柱的兩端都有板狀蓋子。
“我讀過關於上限的欄目，我只是想，“我在雪國長大。為什麼我從來沒有見過其中的一個？”Libbrecht說。下次他回到北達科他州時，他抓起一個放大鏡向外面走去。“我看到了上限的柱子。我看到了所有這些不同的雪花，”他說。“這很容易。只是我從未看過。”
這個不尋常的雪晶，由安大略省北部的Libbrecht拍攝，顯示出銳化效果。它是一種“加蓋柱”晶體 - 兩個板連接在厚柱狀晶體的末端。在這種情況下，每個板都分成一對更薄的板，在放大的插圖中看到邊緣。這些較薄板的邊緣與剃刀刀片一樣鋒利，通過銳化效果形成。冰柱的總長度約為1.5毫米。圖片來源：Caltech / Libbrecht。
從那以後，他出版了七本雪花照片書，其中包括其他熱切的雪花觀察者的實地指南。他的雪花圖片庫擁有超過10,000張照片。但Libbrecht是一名物理學家，因此除了捕捉令人驚歎的圖片之外，他還想了解決定冰晶如何生長的分子動力學。為此，他開發了在實驗室中生長和分析雪花的方法。
現在，Libbrecht相信他正在解釋雪花科學的一個主要突出問題 - 這個問題是他多年前對封裝柱子最初興趣的核心問題。科學家已經知道超過75年，在冰雪產生的雲中通常發現的條件下，冰晶遵循標準的生長模式：接近-2°C，它們會長成薄的板狀形式; 接近-5°C，它們會形成細長的柱子和針頭; 在-15°C附近，它們變得非常薄; 在溫度低於-30°C時，它們會回到色譜柱上。但是沒有人能夠解釋為什麼這種相對較小的溫度變化會使雪花結構發生如此劇烈的變化。
雪晶在不同溫度下會長成不同的形狀。究竟為什麼會發生這種情況仍然是一個科學的謎團。圖片來源：Caltech / Libbrecht。
Libbrecht用最薄，最大的板狀雪花開始他的觀察，它在-15°C高溼度下形成。這些雪花中的一些與剃刀刀片的邊緣一樣鋒利。“我在實驗中發現的東西，”Libbrecht說，“是一種增長不穩定或銳化效應。” 他注意到，當雪晶在-15°C時發展，頂部邊緣開始形成一個凸起的凸起，在尖端處變得尖銳。基本上，角落向潮溼的空氣伸出一點點，因此它們生長得更快。一個循環開始：“一旦壁架變得更尖銳，它就會變得更快，如果它變得更快，那麼它會變得更加清晰，產生積極的反饋效果，”Libbrecht說。“在大氣中，它會變得越來越大，越來越薄。
如果這種銳化效應發生在其他可能的溫度下，則它解釋了溫度的微小變化如何產生如此大幅變化的雪花結構。“銳化效應可以通過改變方向產生薄板或細長柱，”Libbrecht說。“這是一個很大的難題，因為現在你不需要做出這些巨大的變化來獲得不同的結構。你只需解釋為什麼不穩定性提示在某些溫度下生產板材，以及在其他溫度下製作柱子的技巧銳化效果的翻轉很好地解釋了當溫度變化幾度時冰的生長速率如何變化1000倍。
Libbrecht還不能完全解釋產生銳化效應的潛在分子機制，或者究竟為什麼不同溫度會導致生長雪晶的不同面上的銳化。“但是，”他說，“這是雪花科學的一個真正進步。現在你可以解釋為什麼板子很薄而柱子很高。”
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