水分子から雪片へ ── 雪結晶の成長を12段階でたどる

雪の結晶は、0.3 nm の水分子1個から、2 cm の雪片まで、 長さにして約8桁のスケールをまたいで作られます。 このページでは、その道のりを12の段階に分け、各段階を回転・分解できる双方向3Dモデルと あわせて解説します。分子の並びから結晶の形が決まっていく順に並んでいるので、 上から順に読むと一本の物語になります。

12の段階

• 01水分子曲がった極性分子が水素結合する0.3 nm
• 02六角形の芽水分子が立体的に折れ曲がった六員環を作る0.5〜1 nm
• 03氷Ihの結晶基底面と柱面をもつ六方晶格子になる数 nm 以上
• 04表面の一層成長二次元核と 0.37 nm のステップが進む0.4 nm〜µm
• 05初期氷晶丸みを帯びた微小な氷粒が生じる1〜5 µm
• 06板か柱か面ごとの成長速度差が外形になる5〜20 µm
• 07薄板・中空・表裏の芽非対称な成長とくぼみが現れる20〜50 µm〜
• 08六本の主枝六角板の角から枝が伸びる0.1〜0.3 mm
• 09副枝主枝の先端がふたたび不安定になる0.15〜1 mm
• 10立体的な雪結晶二層成長や初期併合で複雑になる0.1〜3 mm
• 11雲粒付着と雪あられ過冷却雲粒が付いて原形を覆う1〜5 mm
• 12大きな雪片多数の結晶が集まる5 mm〜2 cm

3Dモデルの操作

すべてのモデルはドラッグで自由に回転できます（スマートフォンでは1本指でなぞる）。 ホイールまたは2本指の操作で拡大縮小します。 「真上から」ボタンで顕微鏡写真と同じ視点、「真横から」で厚みや層構造が分かる視点になります。 スライダーのあるモデルは、形を決めている量そのものを動かせます。

この12段階を貫いているもの

水分子の結合角 104.5° が、氷の格子では四面体の 109.47° になります。 この四面体性が六角形の環と2本の結晶軸（a 軸と c 軸）を生み、 軸ごとの成長速度の差が板か柱かを決め、 六角形の角に水蒸気が集まりやすいことが6本の枝を生みます。 そして 109.47° の補角である 70.53° が、 ミリメートルの世界で「腕に刺さった枝」の角度としてもう一度現れます。 分子1個の手の開き方が、7桁上のスケールまで貫通しているのが雪結晶です。

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本文中の数値の出どころ、モデルが何を表していて何を表していないかは 数値と出典・モデルの限界にまとめました。

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