雪の結晶の形は温度で決まる？
雪の結晶の形は、主に「空の温度」と「水蒸気の多さ」で決まります。温度で「板の形」になるか「柱の形」になるかが決まり、水蒸気が多いほど、角がのびて枝分かれした、複雑な形になります。これを図にまとめたのが、物理学者の中谷宇吉郎が人工雪の実験から作った「中谷ダイヤグラム」です。
| 空の温度 | 水蒸気がすこし | 水蒸気がたっぷり |
|---|---|---|
| 0〜−4℃ | 角板（六角形の板） | うすい板・扇形 |
| −4〜−6℃ | 角柱 | 針状 |
| −6〜−10℃ | 角柱 | 中空角柱・さや状 |
| −10〜−22℃ | 角板 | 扇形・樹枝状（−12〜−17℃ではシダのような形） |
| −22℃より低い | 角柱 | 角柱（たくさん集まったものも） |
写真でよく見る、木の枝のような大きな雪の結晶（樹枝状・シダ状）は、−15℃くらいで、水蒸気がたっぷりある雲の中で育ったものです。
どうして六角形で、枝がのびるの？
雪の結晶は、水の分子が六角形にならんでできた氷です。だから、どの結晶も六方向に同じように育ちます。空の中では、水蒸気が結晶の表面にくっついて大きくなります。とがった角の先は、まわりの水蒸気にふれやすいので、ほかのところより早くのびます。水蒸気がたっぷりあると、角がどんどんのびて枝になり、その枝からまた小さな枝が出て、樹枝状の結晶になります。
おうちの方向けに言うと、雪の結晶の成長は、水蒸気の拡散と、結晶表面で分子が取りこまれる速さ（表面カイネティクス）で決まります。板になるか柱になるか（底面と柱面のどちらが速く育つか）は温度によって入れかわり、およそ−4℃・−10℃・−22℃を境に、板→柱→板→柱と変わります（小林禎作による整理）。過飽和度が高いと拡散律速が強くなり、角が優先的に育って樹枝状になります。このシミュレーターの板の形は、六角形のます目で水蒸気の拡散と取りこみを計算する Reiter（2005）のモデルで育てています。柱の形は横から見た絵（目安）です。
雪の結晶を観察してみよう
- 雪がふる日に、黒い画用紙や黒い布を、外や冷たい場所に置いて冷やしておきます（冷えていないと、すぐとけます）。
- ふってくる雪を、冷えた黒い紙で受けます。
- ルーペで形を見て、スケッチします。スマートフォンのカメラで、ルーペごしに写真をとるのもおすすめです。
- そのときの気温（温度計か天気予報）と、雪のふり方（大きなぼたん雪・さらさらの粉雪など）を記録します。
- このシミュレーターの形とくらべて、空の上の温度を予想してみましょう。
結晶に息がかかると、とけてしまいます。手ぶくろ・帽子で体を冷やさないようにし、こおった道や車に気をつけて、おうちの人といっしょに行いましょう。地上の気温は、結晶が育った空の上の温度とはちがいます（上空のほうが寒いことが多いです）。
自由研究のまとめ方のヒント
シミュレーターで、温度を0℃から−30℃まで5℃ずつ変えて結晶を育て、「板」「柱」がどの温度で入れかわるかを表にまとめましょう。水蒸気を「すこし」「たっぷり」にしてくらべると、中谷ダイヤグラムのしくみがわかります。とちゅうで温度を変えた結晶（まん中が板で、外が枝になるなど）も作って、「空の中でどんな旅をしてきたか」を考えるとおもしろい研究になります。冬に本物の結晶を観察できたら、写真やスケッチとならべましょう。
よくある質問
同じ形の雪の結晶はない？
雪の結晶は、空の中を落ちてくるあいだに、温度や水蒸気の少しちがう場所を通ります。通ってきた道すじが1つ1つちがうので、細かいところまで同じ形の結晶は、まず見つかりません。シミュレーターでは、同じ条件なら同じ形になります。とちゅうで条件を変えると、ちがう形になります。
雪の結晶はどのくらいの大きさ？
ふつうは直径0.5〜数mmくらいです。樹枝状の大きな結晶では、5mm以上になることもあります。ぼたん雪は、たくさんの結晶がくっついたものです。
冷凍庫でも雪の結晶はできる？
冷凍庫のかべにつく霜（しも）も、空気中の水蒸気が氷になったもので、ルーペで見ると小さな六角形や針の形が見えることがあります。冷凍庫で水をこおらせる時間は、冷凍庫で氷ができる時間シミュレーターで試せます。
雪がふらない地方では観察できない？
このシミュレーターや図鑑・写真で形をくらべるだけでも、自由研究になります。寒い地方の天気の記録と、雪の写真をあわせて調べるのもおすすめです。
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