かおすもにゅめんたむ

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雪の結晶はなぜ六角形なのか?雪はどうして降るのか?

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雪の結晶って綺麗ですよね。雪が降るとついつい黒い手袋を空にかざして雪の結晶を観察したくなってしまいます。ところで雪の結晶はなぜあんな美しい形になるのでしょうか。出来るだけ科学用語を使わず簡単な言葉で書きたいと思います。

 

そもそも雪とは何か

雪とは空から落下してくる氷の結晶のことです。雹(ひょう)や霰(あられ)も同じ氷の結晶で、雪の仲間だとも言えますが、みなさんが知っている通り雪はふわっとしていますが、ひょうやあられは当たると痛いくらい硬くてゴツゴツしています。この違いは2つの作られ方が違っているからです。ひょうやあられの結晶は様々な結晶がごちゃ混ぜになった構造になってきて、雪のような綺麗な結晶の構造は見られません。ひょうやあられは地面に落下してくる途中で氷が溶けたり、上昇気流*1に巻き上げられて、冷やされ再び凍ったりを繰り返しているので、綺麗な結晶になりません*2。雪がひょうやあられと違い、ふわふわしているのは綺麗な氷の結晶が落下途中で合体して出来ているためで、空気を多く含んでいるからです。

ちなみにひょうとあられの違いは、粒の大きさであられは直径が5mm以下、ひょうは5mm以上のものをいいます。ちなみに世界最大のひょうは1粒がアメリカで観測され、直径20cm・重さは878gととんでもない大きさです*3。当たったらケガでは済みません。

 

雪のもとが出来るまで

雲の中で雪のもとになる氷の粒が出来ます。水は0℃で凍りますが、実際は0℃にしても水は凍りません。過冷却という現象のためで、氷点下でも水のままで存在することがあります。さらに氷の粒が小さい場合は融点そのものがサイズ効果によって低下するため、より凍りにくくなります*4。もし水の小さな粒だけを凍らせようとすると-40℃前後が必要になります。

しかしなにかしら空気中に小さな微粒子があると、もっと高い温度で凍らせることができます。これは水だけで凍らせるよりも、何か土台となるものがあると凍りやすくなるためです。例えば、製氷機に水を入れて凍りきる前に出してみると、容器に接している周りが先に凍っていて中は水のままになっているのと同じ原理です。雲の中でも空気中のちりなどを土台(核という)として氷の小さな結晶(氷晶)が作られています。

 

六角形になる理由

氷の結晶が六角形だから雪の結晶も六角形と書いているサイトもありますがこれは少し正確ではありません。氷の結晶は温度と圧力などによって構造が変化することが知られており、現在まで16種類が発見されています。そして私たちが普段関係のあるような日常的な温度範囲、圧力範囲であれば氷Ihと呼ばれる構造を取っています。氷Ihは四面体構造*5で六方晶と呼ばれます*6。この六方晶が雪の結晶が六角形になる理由になっています。以下の動画の氷Ihの構造を見てください。『立体的な六角形』があることがわかります。

youtu.be

 

樹の枝のような形になるまで

一度、氷晶(氷の小さな粒)が出来ると周りの水蒸気が氷晶周りで凍り、どんどん氷晶が大きくなっていきます。氷晶が一度大きくなったところは、さらに水蒸気を凍らせやすくなるので、更に凍っていくことになります。このように氷晶の凍結にも場所によってスピードの違いが出るため、雪の結晶が樹の枝のような形になります。詳しく知りたい方はデンドライト成長で検索してみてください。

 

五角形や七角形の雪はできないのか

実際に空から降ってくる雪では五角形の雪はほぼ出来ないでしょう。それは先ほど言った理由で、結晶の構造が六角形だということを決めているからです。しかしながら人間が作り出せるかどうかという意味では作れるかもしれません。実際にそういう研究をしている方もいらっしゃいます。『雪の結晶 準結晶』という単語で検索してみると、もっと奥深い雪の結晶の世界が見えてくるかもしれません。

 

まとめ

Point

・雪は氷の結晶が集まったもの

・氷は空気中の微粒子を核として生成される

・氷は六方晶構造のため雪の結晶も六角形になる

・デンドライト成長によって樹のような形になる

・五角形の雪の結晶も作れるかもしれない

*1:上空に向かうような風

*2:積乱雲は上昇気流があるところにできる雲なのでひょうやあられは夏にも降ります

*3:埼玉県では非公式な記録だが直径29.6cm・重さ3.4kgという記録がある

*4:水滴表面のゆらぎが粒径が小さいと相対的に大きくなるため凍りにくい

*5:三角錐の頂点に3つの水分子と内部に1つの水分子がある状態で、それぞれの水分子が結びついている

*6:hはhexagonalの頭文字