为什么一粒灰尘能够长成六边形的雪片?

编辑:王怡蔺

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刻面 | K.LIBBRECHT

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分支(branch)是决定雪花怎么着生长的第①个第叁进度。想象三个六边形的启幕晶种,水分子更欣赏附着在粗糙表面上,而六边形的角部是相对来说粗糙的地点。由此,起始时,水蒸气日常会堆积在两个角上。之后,每一种角落的小结晶非常的慢就会变成四个较大的收获。紧接着整个晶体初阶分支。每一个分支都封存了反映水分子晶格特征的
60° 角

 

在实验室里,Libbrecht一贯探索着相关的不易难点,例如空气和发育的结晶之间的互相功能,是怎么样影响其最后形象的。别的,他也探讨冰雪的艺术性——比如,为了爆发新的结晶图案,需求构建出比自然界中山大学得多的雪花。(普通的白雪只怕宽3毫米,但Libbrecht希望她布署中的“一级雪花宽达到1厘米。)

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商量晶体生长的时候,她迷上了与冰相关的物军事学,并神速变成白雪领域的头号专家。冰月时令,他驶来马里哈尔滨、安徽大学略省和别的北方地区,并在旅途中,利用显微镜捕获和摄像了冰晶的图像。在帕塞迪纳市阳光明媚的实验室里,他修筑了1个冷室,在这边培养本身的冰雪。

   
  云层是冰雪孕育的地点,雪花发生于云层中的那一个小晶核.冰晶变成雪花所走过的路程既波折又繁杂,它随着气流上上下下、左左右右地反复运动,周围的温度和水蒸汽条件不断变更,使冰晶拉长的部位各不同。正因为冰晶在发出和增强进度中相遇的热度、湿度以及气流条件差距,因此雪花的六角形基本造型也就变得千姿百态了。晶核生长的形象有两种趋势:长而细的六棱柱形晶柱、五头尖尖有如一根针的晶针和很薄的六边形晶片。假设它们周围的水气浓度较低,冰晶的滋长就一点也不快,而且各边均匀增加;假诺周围水气浓度较大,那么增加进度中不仅体积会增大,形状也会转移,最普遍的就是天空中飘落的六边形雪花。为啥都赞成于六边形呢?原来冰晶增加时要消耗附近的水气,所以,越接近冰晶的地点水气越稀薄,稍远处的水气自然苏醒补充,它们首先碰到的就是正在前进伸展的尖角,于是,各类尖角连忙加长,慢慢变成树枝状。同样原因,这几个“树枝”上又长出新小枝杈,周而复始就形成了作者们所看到的六边形雪花。形成雪花在此之前的冰晶受周围环境的熏陶,位于底面上的正六边形和侧面长方体的晶体生长速度出现差别,形状也对应发生变化,比如空气温度会给结晶的外表带来微妙变化,接近0°C度时底面水平扩张成六边形,-5°C时形成针状,降到-5~-10°C时侧面上早先生成正六棱柱体及侧面镂空的六棱柱体,-15°C时形成树枝状,在降至-10~-21°C时,正六边形又开始扩展,继而再生成六棱柱体。

对于Libbrecht来说,只要求旁观落下的雪片的花色——不管是片状,盘状,柱状照旧其余形状,他都可以精鲜明位高空中云层的温度和湿度

     
今日和前几天是平安夜和圣诞节,发几幅雪花的图像应下节日。本来是打算写个关于算法生成雪花的学术随想,但发现那东西很难写下去。重假使找不到贰个增加舆论逼格的数学公式,所以就发下博客吧。共有10幅PNG图像和3幅GIF动画图像,都以黑白二值化的图像。

图 | K.Libbrecht

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晶体的伪装

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接下去,晶体漂浮到云层的别样部位,在那里,温度只怕降低到了-10或-15℃(盘面得以生长的热度)。然后,雾滴早先向外生长出一束小冰盘,它们看起来像垂直于主晶体的横向盘面。“三个晶体有这么的生长进度,那就是太不平凡了,”Libbrecht惊叹道,“那个出乎预料而发狂的政工只现出了10分钟,之后就得了了。”

   
  雪花有各式种种的模样,但每一片雪花都以六角形的,雪花的形状,涉及到水在大气中的结晶进程。大气中的水分子在降温到冰点以下时,就起来凝华,而形成水的结晶,即冰晶。冰晶和别的任何晶体一样,其最宗旨的属性正是独具自个儿的平整的几何外形。冰晶属六方晶系,六方晶系具有四个结晶轴,个中多少个辅轴在2个平面上,相互以六十度角相交;另一主轴与那多少个辅轴组成的平面垂直。六方晶系的最赞不绝口形象是六棱柱体。可是,当成果进度中主轴方向晶体发育一点也不快,而辅轴方向发育较快时,晶体就展现出六边形片状。

较高的湿度会拉动更快的发育和更小巧的分段:当湿度相对较高,温度在-15℃左右时,会形成“树枝状晶体”这种最大最复杂的雪片。值得注意的是,在这种飞快生长的结晶中,位于伍个根本分支两侧的粗短分支,并不是周密对称的。那个差异反映了晶体在形成时的条件变化。

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树枝状晶体 | K.LIBBRECHT

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柱状晶体一般性在-5℃左右多变,刚十分的低于水的冰点。湿度很高时,它们能够长到3分米长,细细长长的样子,被喻为“针状晶体”。细长的晶体簇非平常见,可以用肉眼看到,看起来就像是从空中飘荡白发片段。

动画图像:

(ID:swarma_org)

恶魔的指印—49幅由算法生成的七芒星图像

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  大气中的水汽在收获进程中,往往是晶体在主晶轴方向生长速度慢,而两个辅轴方向则快得多,冰晶多为六边片状。当大气中的水汽十三分添加的时候,周围的水分子不断地向最初形成的晶片上组合,在那之中,雪片的五个顶角首当其冲,那样,顶角上会现身有的优异物和枝杈。这个枝叉拉长到一定水准,又会分开。次级分又与母枝均保持六十度的角度.那样,就形成了一朵六角星形的雪片。每片雪花在完全上纵然都以六角星形的,但在细微形态上却有好多差距。种种雪花的形成和产出是与不相同的气象条件,尤其是天天气温度度、湿度有着密切的关联。

从外表看起来,这一个晶体就像是两全的,但变形的小冰心(bīng xīn )揭发了它复杂的多变经过。雪花开始的金科玉律,像1个简单易行的六棱柱,各类角落的后边都像2个线轴。异常快,条件转向协助雪片一端的一侧和鹅毛冬至另一端相反的一侧的加强。

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六边形的魔力

再发三幅真实的白雪生成图像:

主编:

最终发首徐章垿的诗《雪花的喜形于色》

“十全九美”

 

正与邪—25幅由算法生成的五角星图像

那种颗粒状的霜晶还会展现出别的方面包车型大巴模样。它们碰撞并冻结形成1个大的六角形晶体,然后又开端不停发育。微小的霜状颗粒自个儿也是六边形的,与大晶体的侧面方向相匹配。该图案表明霜状颗粒中,水分子结构与中间的晶体结构是如出一辙的,它们已经统1/10了1个多晶硅实体。

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晶体的左边夺取了氛围中的水蒸气,并向外生长;右边却沿向内的大方向生长。在晶体的正大旨地点,仍旧能够看到1个十分的小的星型,也正是连连两侧雪片的薄柱。

只要本人是一朵雪花,
翩翩的在半空里罗曼蒂克,
          小编必然认清自作者的大势──
          飞扬,飞扬,飞扬,──
    那地点上有小编的样子。

不去那冷寞的山谷,
不去这凄清的山麓,
          也不上荒街去愁肠──
        
 飞扬,飞扬,飞扬,──
    你看,小编有作者的动向!

在半空中里娟娟的飘然,
认明了那幽静的住处,
        
 等着她来公园里看看──
        
 飞扬,飞扬,飞扬,──
    啊,她身上有朱砂梅的香味!

那时候本身凭借本身的身轻,
包罗的,沾住了她的衣襟,
        
 贴近他柔波似的心胸──
          消溶,消溶,消溶──
    溶入了他柔波似的心胸!

原标题:为啥一粒灰尘能够长成六边形的雪花?

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多年来,Libbrecht积累了许多的雪片样例,比如经典的伍分枝形、盘形、圆锥形、棱柱形,以及任何霜冻方式的白雪。在摘登于
Annual Review of Materials Research
期刊的一项探讨中,他探索了震慑冰晶生长的要素,并打响将不难的水转变成了好看的名堂。

   
  雪花是水分子的收获,水分子又是由一个氧原子和七个氢原子组成的。严谨的当中排列规律使雪花形成规则的几何图案造型。而大自然那位伟人的化学家兼美术大师,又在规则之中生出最佳两种闻所未闻的变幻来,使雪花片片不一样,朵朵雅观。每一片雪花既是轴对称的,又是中央对称的。雪花是数学和方法的自发融合,是大面积、最简单易行,但却是最优良的事物之一。

星象形雪花

混沌开窍—24幅由算法生成的圆柱形图像

刻面(factes)是培养雪花生长的三个至关心尊敬要进程。从侧面看过去,六角形的棱柱具有能够锐利的刻面。水分子附着在上马晶种上,就时有产生了这一个布局。各样水分子都希望吸引尽大概多的别的水分子,之后,它们任其自然地自己组建织成一种情势,使分子之间的触发最大化,并产生了八个光滑的刻面。(在桌子上放一枚硬币,每枚硬币都尽量多的触发任何的硬币,最后会博得叁个接近的六边形图案。)有时,雪花会一而再透过刻目生长,发生一个如图所示的大六边形晶体。

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幸而这种物教育学和大自然奇观的重组,吸引Libbrecht再度归来了雪的社会风气。“那之中的复杂性和对称性,让它们变得那样美貌,”他讲道,“科学是喜人的,但方法也一律很有意思。”
他提供的冰雪图像,被印制成了精良的回想邮票。

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每片雪花都以贰个小冰晶,在大气内的蒸气里凝结而成。而是,在飞雪形成进程中,由于温度、湿度、风,以及任何因素的熏陶,每片雪花每时每刻都留存不相同的发育速度,从而形成与事先的冰雪完全区别的美术。

   
  雪花是种典型的鸠拙分形物体,在它身上能显示规则与人身自由的统一。说它规则是因为每一片雪花都是六边形的,至少有六边形的旗帜。而重组雪花的每3个成员都以随意混沌的。没有章程规定某三个水分子在扭转雪木白芍药放在雪花的哪位地点。

当云中的一滴水,凝结在微小的尘埃粒子周围时,会生出一颗小冰心(bīng xīn ),这正是每片雪花的初阶。这一进度发生在大约-6~-15℃之间(低于水的凝固点),灰尘颗粒则是水滴冻结时的基业。紧接着,冰晶内核起首捕获附近漂浮的水蒸气分子,那一个水蒸气被冷冻在晶体上,让晶体得以生长

三生万物—算法生成的25幅三角形图像

白雪实验室:他想做出“拔尖雪花”

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说到底,蜘蛛网的角落长出了新枝,新枝又在其背后爆发了新的盘状晶体。创设晶体的成套经过花了临近八个小时,比发生一片天然雪花所需的年华要慢得多,并排合成的结晶也大致是同样的。

肯内特·利Bray得勒支从小在亚拉巴马州(NorthDakota)长大,对雪10分熟知。后来,他驶来了亚利桑那理哲高校(the
California Institute of
Technology),成为了一名物教育家。在那几个温暖的地点,他沉醉在了小时候所见的雪片们的正确性世界里。

图里那种雪花的冰心(bīng xīn )暴露了它是人为的实际——自然界中永远不会意识那种蜘蛛网式的图腾

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