本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
好吧，我承认。我爱雪。我说出来了。
作为一个在纽约州中部长大的孩子，得益于五大湖的湖泊效应，我们总是有大量的雪。我会不断地玩雪橇、滑雪，包括越野滑雪和高山滑雪。每年万圣节一过，我就会发现自己胳膊肘撑在窗台上，双手托着头，只是等待着第一场降雪将地球完全变成白色。
即使你讨厌雪，你也必须承认本季的第一场降雪和积雪是相当美丽的。一切都是干净、洁白和纯净的。眼睛立刻意识到有什么新鲜事物，你的感官可能会因日常环境的变化而感到愉悦，它们已经习惯了这种环境。
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那么是什么原因导致我们这个地区经历这场白色衣橱的转变呢？答案部分在于每片雪花的复杂设计以及科学，哦，神秘的科学。
雪晶在云层中形成，当水蒸气凝结并在单个尘埃颗粒周围结晶时。为了使水蒸气结晶，大气温度必须达到或低于冰点。有趣的是，我们在地球表面关注的温度对于云层中雪的形成来说并不是很重要。换句话说，即使我们看到温度计高于华氏 32 度（摄氏 0 度），也可能会下雪。
随着空气变得更冷，云中的水分子可以结合在一起，形成六边形形状的冰晶格。一些最漂亮的雪晶是那些以这种小六边形冰棱柱为基础的雪晶。一旦建立了六边形底座，美丽的臂或枝晶就可以从其六个角中的每一个向外生长。这就是大多数人在想到雪花时通常在脑海中想象的。
然而，“雪花”这个术语实际上是不正确的。从科学上讲，“雪花”这个词指的是粘在一起的雪晶簇。雪花是我们通常在日常飘雪中遇到的东西。令人惊叹的六边形单晶雪花只有在那些特殊的冬日里，在几乎没有风且天气条件恰到好处的情况下，才会从天空中轻轻飘落。我们大多数人可能都记得在人生的某个时刻看到一片完美的雪晶落在我们的手套上，这确实令人惊叹。
肯尼斯·利伯brecht是一位加州理工学院的物理学家和研究员，他花费的时间不仅仅是冬季来欣赏雪晶。他为我们提供了你在本文中看到的令人惊叹的雪晶的真实图像。肯研究晶体形成的物理学，并在他的实验室里“让雪下起来”一整年，因为他致力于用他的相机镜头揭示和捕捉雪晶的美丽和奇观。“我喜欢拍摄雪花，这就像寻宝，”他说。
存在许多不同的雪晶形状和类型，而不仅仅是前面提到的六角形品种。每种雪晶的类型和形状取决于大气温度和空气中水蒸气的过饱和度，也称为湿度。当空气中的湿度最高时，会出现最复杂的设计。
即使在同一天，每片雪晶的臂上似乎都雕刻着独特的设计。这部分是由于每片雪晶在穿过天空时都遵循略微不同的路径，并且在其臂发育过程中经历了不同的温度和环境变化。这赋予了它独特的 beauty，并为“没有两片雪花是相同的”的传说增添了一些真实性。
在地面上，当雪晶和雪花落下并积聚时，它们的排列非常轻盈和通风。事实上，地面上 80% 的新鲜积雪是由空气组成的。当我们看到新鲜的雪时，我们看到它是白色的。这是因为传播到雪和穿过雪的阳光是由可见光谱中的所有颜色组成的。这种光通过许多雪晶和雪花散射和反射。雪晶的六边形底座就像数千个棱镜平放在地面上，折射和反射所有可见光的颜色。在大多数情况下，雪不会吸收任何波长或颜色的光，几乎所有的光都反射回我们的眼睛，我们的眼睛将所有这些反射波长一起解释为白色。
话虽如此，但情况不仅仅是我们表面上看到的那样。如果你在雪中刺一个小而深的洞，你可能会注意到雪深处呈现出明亮的蓝色。此外，人们还观察到不同的雪层和气泡状冰，如冰冻瀑布和冰川，有时会发出淡淡的蓝色甚至绿色的色调。据说红藻也会改变雪的感知颜色。这些以及其他与雪的物理学相关的主题继续吸引着研究人员和科学爱好者，就像它们在 100 多年前所做的那样。
研究和理解晶体形成可以为科学技术的发展带来其他好处，例如制造“更好的人造雪、更好的奥运滑冰冰、更大的钻石、更快的计算机……”但这并不是肯和其他人真正研究它的原因。他说他相信“基础科学可以而且应该为了其自身价值而被追求。”
因此，今年冬天，也许我们应该再次停止关注雪的负面方面，例如铲雪和融雪，而是再次以孩子的眼光，或者更好的是，通过我们所有人内心的科学家的眼光，来看待雪的奇观。毕竟，这是新鲜的物理学。
致谢：非常感谢 Ken Libbrecht 允许我通过电子邮件采访他。我学到了很多东西，他真的帮助这篇文章成为可能。如果您想更长时间地品味雪花的魔力，请查看他的关于雪晶和雪花的精彩书籍！他的网站也写得很好，而且非常有趣！感谢 Ken 与我们所有人分享您的知识和热情。另外，感谢 Erica Angiolillo 允许使用她精美的冬季照片！
图片来源： (雪天), (宁静), (寒冷的脉络), (冬天的味道), 和 (作者) 作者：Erica Angiolillo/Gotcha! by Erica photography (雪晶图片 1, 2 和 3) 和 (形态图) 作者：Kenneth Libbrecht。
参考文献
Bohren, Craig. 雪、冰冻瀑布和冰山的颜色。J. Opt. Soc. Am 1983 年 12 月; 73 (12): 1646-51。doi:10.1364/JOSA.73.001646
Doesken, Nolan 和 Judson, Arthur. 雪小册子。科罗拉多气候中心，科罗拉多州立大学，柯林斯堡，科罗拉多州。ISBN #0-9651056-2-8 (第二版)
Libbrecht, Kenneth. 通过电子邮件进行的个人采访。2011 年 12 月。
Libbrecht, Kenneth. 雪晶的物理学。Rep. Prog. Physics 2005; 68: 855-895。doi:10.1088/0034-4885/68/4/R03