尽管雪花具有无限的结构变化，但它们到达地球的旅程却非常相似，甚至可以预测。研究人员追踪了超过五十万片飘落的雪花，发现了一个广泛的数学模式，精确地描述了它们如何在空气中盘旋。
犹他大学大气科学家蒂姆·加勒特（Tim Garrett）是Physics of Fluids杂志上发表的一项新研究的资深作者，他研究雪花已近十年。尽管如此微小、短暂的物体的行为似乎无关紧要，但它们的下降速度是天气和气候预报中的关键变量，即使在热带地区也是如此；大多数降水，无论最终落在哪里，都始于雪。
雪花运动通常在受控的实验室条件下进行研究，但这并不能反映自然界的复杂性。数十年来，在野外仔细观察飘落的雪花一直困扰着大气科学家。
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为了采用一种新方法，加勒特与犹他大学的工程师迪拉吉·库马尔·辛格（Dhiraj Kumar Singh）和埃里克·帕迪亚克（Eric Pardyjak）合作，制造了一台机器，用于测量落在热板上的单片雪花的质量、密度、面积和形状。通过将该仪器放置在摄像机和激光面下方，研究人员可以追踪每片雪花如何响应室外空气湍流而运动。
加勒特说：“我们能够让大气层表达自身，以一种完全不受科学家控制的方式表现。我认为这就是为什么我们最终发现了一种非凡的简单性，一种优雅。”
研究人员发现，雪花的平均加速度（在本研究中，相当于它的盘旋程度）与其斯托克斯数之间存在线性相关性，斯托克斯数是一个描述物体对空气湍流变化响应速度的值。例如，一片宽而蓬松的雪花比一片流线型的雪花盘旋得更多。
利用斯托克斯数，研究人员现在可以预测单片雪花在下落时会盘旋多少。在更广泛的范围内，研究小组惊讶地发现，尽管空气湍流和雪花形状和大小的变化范围很大，但平均雪花盘旋度的分布符合单一的、近乎完美的指数曲线——一种固定的数学模式。
这种规律性的原因目前仍然是个谜。但加勒特表示，这可能与湍流空气如何促使雪花在形状和大小上波动有关，而这反过来又会调整它们对湍流的反应。
明尼苏达大学机械工程师洪家荣（Jiarong Hong）表示，还需要进一步研究来评估这种数学模式的普遍性。“我们将研究[这一结果]在我们不同条件下捕获的雪花数据集中的适用性，”他补充说，这些条件包括不同的海拔高度和地面粗糙度。
如果这种模式确实具有普遍适用性，“那么存在这种简单性的事实表明，将会有一个简单的解释，”加勒特说。“我们只需要找到它。”