奥行きがわかる3D天然雪結晶 3D natural snow crystals that reveal depth

課題の設定: 雪の結晶は本当に平らなのか Setting the question: Are snow crystals really flat?

教科書や資料集で目にする雪の結晶は、ほとんどが一方向から撮影された平面写真です。しかし、天然雪には、枝が12本に見える12花や、複数の結晶板が重なって1つの6花のように見える組み合わせ六花が存在します。つまり、見た目が6本枝でも、実際には1枚の板とは限りません。

Most snow-crystal images in textbooks and reference books are flat photographs taken from a single direction. But natural snow also includes twelve-branched crystals, in which twelve branches are visible, and combined six-branched crystals, in which multiple crystal plates overlap and look like a single six-branched form. In other words, even when a crystal appears to have six branches, it is not necessarily a single plate.

そこで最初の問いは、「写真だけでは見えない厚さ方向の構造を、どうすれば高校生にもわかりやすく示せるか」です。ここで重要になるのが、結晶板に垂直な方向、すなわち c軸方向の観察です。

So the first question is: how can we show, in a way that is easy for high school students to understand, the thicknesswise structure that cannot be seen in a photograph alone? The key is to observe the direction perpendicular to the crystal plate—that is, the c-axis direction.

情報の収集: 雪の結晶ができるしくみ Gathering information: how snow crystals form

雪結晶は、空気中の水蒸気が氷として成長してできる結晶です。氷の結晶では水分子が六角形の規則的な並びをつくりやすく、そのため雪結晶には近似的な6回対称性が現れやすくなります。まず小さな六角形の角板状結晶ができ、そこから6つの角に沿って枝がのびることで、私たちがよく知る6花が形成されます。

A snow crystal is a crystal formed when water vapor in the air grows as ice. In ice crystals, water molecules tend to form a regular hexagonal arrangement, so snow crystals often show approximate sixfold symmetry. First a small hexagonal plate-like crystal forms, and then branches grow from its six corners to create the familiar six-branched crystal.

ただし、雪の結晶の形は、決して1種類ではありません。結晶が成長する上空の気温や水蒸気量の違いによって、板状、柱状、樹枝状など、さまざまな形に変化します。この気象条件によってどのような雪の結晶ができるかを示した図が「小林ダイヤグラム」です。

However, snow crystals do not have only one form. Differences in temperature and the amount of water vapor in the upper air where the crystals grow produce a wide variety of shapes, including plates, columns, and dendrites. The diagram that shows what kinds of snow crystals form under different meteorological conditions is called the Kobayashi diagram.

仮説の構築: ピントをずらした動画なら奥行きが見えるのではないか Building a hypothesis: A video made by shifting the focus should reveal depth

ここで立てた仮説は明快です。もし雪結晶を上から下へ、少しずつピントをずらしながら連続撮影し、その画像を順番に再生すれば、まるでCTスキャンのように、どの層にどの枝があるかを追跡できるはずです。

The hypothesis proposed here is straightforward. If a snow crystal is photographed continuously while the focus is shifted little by little from top to bottom, and those images are played back in order, then it should be possible to trace which branches belong to which layer, almost like a CT scan.

もともと自動フォーカスブラケット機能は、全体にピントが合った深度合成写真をつくるために使われることが多い機能です。しかしこの研究では、あえて断面写真の連続として利用し、奥行き構造を理解するための教材へ転用しました。ここがこの教材開発の独創性の一つです。

Autofocus bracketing is usually used to make focus-stacked photographs in which the whole subject appears sharp. In this research, however, it was deliberately used as a sequence of section-like images and repurposed into teaching material for understanding depth. This is one of the original ideas behind the development of the material.

観測による検証: 動画で解き明かす立体結晶 Testing by observation: three-dimensional crystals revealed by video

北海道の旭岳周辺で行われた観測では、雪結晶を多数の断面写真として記録し、それらをつないだ動画教材が作成されました。すると、平面写真では気づきにくかった複数層構造が、動画では連続的に見えるようになりました。これが本研究の最大の魅力です。

In observations carried out around Mt. Asahidake in Hokkaido, many section-like images of snow crystals were recorded and assembled into video teaching materials. As a result, multilayer structures that are hard to notice in a flat photograph became visible as a continuous sequence in the videos. This is the strongest appeal of the study.

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データの解釈: 未分類結晶の見え方が変わった Interpreting the data: unclassified crystals look different once depth is taken into account

工芸大紀要論文では、北海道で観測された未分類雪結晶として、5花、7花、8花、3角の6花などが詳しく検討されています。重要なのは、「枝の数が変わって見える理由」が1つではないことです。動画やピント位置の解析によって、重なりによるものと、角の変形や裂開によるものを区別できるようになりました。

The Tokyo Polytechnic University bulletin paper closely examines unclassified snow crystals observed in Hokkaido, including five-, seven-, eight-, and triangular six-branched forms. The important point is that there is not just one reason why the visible number of branches changes. Analysis using videos and focus positions has made it possible to distinguish cases caused by overlap from cases caused by corner deformation or splitting.