這個星球上的雪花:科赫曲線及其他

2021-02-18 利維坦

利維坦按:脆弱,稍縱即逝,再加上分形之美,估計是大多數喜歡雪花之人的內心感受。而對於發燒級的雪花愛好者來說,觀察到難得一見的雪花,如同發現罕見的蝴蝶一樣,需要有足夠的耐心。


我們常說,沒有兩片雪花是一樣的,這或許也是雪花的冰晶結構打動我們的所在。不過,文中的加利福尼亞工學院物理學教授利布雷希特卻在實驗室中通過冷卻裝置培育出了幾乎完全一樣的雪花——當然,在最小的微粒層面上,它們還是不同的:




譯/Chool

校對/danzig

原文/content.time.com、www.reddit.com

單晶狀

雪花並非凍結的雨滴(凍結的雨滴常稱為凍雨)。雪花是在雲體中的水蒸汽直接凝結成冰時形成的。雪花的最基本結構中,雪晶屬於六角晶系,如上圖樣本。但其他更複雜的結構也是極為常見的。

美國加利福尼亞工學院物理學教授肯尼思·G·利布雷希特把自己的激情用在了冰晶的研究中。在他的書和網站上(snowcrystals.com),利布雷希特探索著這些小小的自然奇蹟背後的秘密。

星形盤狀

常見的雪花很薄,而且是類如盤狀的晶體,有六片分枝形成了星狀。這種結構的雪花大約在華氏28度(攝氏零下2.2度)下形成,而柱狀和針狀的在接近華氏23度(攝氏零下5度)下出現。星形盤狀的也會在接近華氏5度下形成。

扇形盤狀

最普通的扇形盤狀雪花是這樣一種六角晶體,它被等分為六片,如一片片餡餅。更複雜些的樣本,在伸展平整的分枝上會顯示出明顯的脈絡。

星形松樹石

松樹石,即「樹狀」,所以星型松樹石就是擁有分枝且分支上又有側枝的盤狀雪晶。它們是相當大的晶體,可以用放大鏡觀察到。

蕨葉狀星型松樹石

有時星型松樹石的分支上有很多的側枝,多如蕨葉,蕨葉狀星型松樹石也因此而得名。它們是最大的雪晶,落在地面時,直徑常在5毫米或者更大些。

空心柱狀

六稜柱狀的雪晶常會在它們的末端形成錐形的空心區域。有時末端生長,在冰晶裡會出現一對氣泡,見上圖樣本。

雙盤狀

當兩片非常接近時,其中一片不可避免地向外快速成長,從而爭奪了另一片的水汽來源,這就出現了一個大盤連接著一個極小的盤。為了說明這種現象,利布雷希特拍攝了這種雙盤雪晶樣本,這個樣本僅僅聚焦在一個小盤上。

盤星分裂

這種雪花就像先前提到過的雙盤狀雪花,只是一個盤會隨著另一個盤而長得很大。

針狀

形成於大約華氏23度(攝氏零下5度)下,這些雪花看起來就像手腕上細小的毛髮。為什麼在溫度變化時雪晶的形狀也隨著變化,從薄且平的盤狀變成長且細的針狀,這仍是一個科學之謎。

三角形晶體

當氣溫在接近華氏28度(攝氏2.2度)時,盤狀雪晶有時會變成削去尖角的三角形。這是比較罕見的。

十二邊形雪花

有時雪晶會扭曲覆蓋,這樣,兩個六角分枝狀的晶體,最終形成了彼此相對有三十度角的盤狀。這種晶體也是相對稀少的,但有時一次降雪中會帶來許多。

錐形玫瑰花結

這種形狀是晶粒在隨機的方向上產生多晶體時的結果。有時一個錐形玫瑰花結能變成重疊的花結,就像上圖樣本裡的那樣。

霜晶體

雲由無數的水滴構成,這些水滴相互碰撞粘著從而形成雪晶。凝結的水滴稱為霜。所有不同類型的雪晶上都綴有霜。當霜的覆蓋度足夠大時,雪晶就像一個小雪球,結果被稱為霰。

人工造雪

造雪機器從噴嘴噴射出水和壓縮空氣的混合物。水成為很好的雨滴,當氣壓下降時空氣冷卻,造成雨滴凝固。接著用鼓風扇從側面吹擊它們。

無獨有偶,俄羅斯攝影師阿歷克謝·卡爾加託夫也是一位雪花微距拍攝愛好者。阿歷克謝將他的佳能Powershot A650 IS卡片機調整到最近焦距,並將其用膠帶與前蘇聯生產的58毫米老式定焦鏡頭Helios 44M-5反向固定在一起。從他家的陽臺上,他拍下了落在玻璃上的雪花。通常,他會借用LED手電筒進行照明,用深色的羊毛織物作為背景,有時也採用自然光。


以下就是他拍攝到的部分雪花微距影像,有些雪花的形態,頗似科幻影片中的太空站或太空梭:





















俄羅斯攝影師阿列克謝·卡爾加託夫


「利維坦」(微信號liweitan2014),神經基礎研究、腦科學、詩歌、小說、哲學……亂七八糟的什麼都有。反清新,反心靈雞湯,反一般二逼文藝,反基礎,反本質。

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