雪晶为何呈六角形｜中谷宇吉郎“天上来信”与用手机拍雪晶的方法

雪晶究竟是什么——从天而降的“信”的真面目

雪晶是云中的水汽变成冰、并就此生长而成的单晶体。它不是水结冰凝固而成的“冰粒”，而是通过由气态（水汽）直接变为固态（冰）的凝华，如同一层层堆叠分子那样形成的。正因如此，才会产生那样规整的形状。

雪晶在云中诞生，边落边长

冬季的云中，即使气温低于0℃，水滴也常常保持液态漂浮着，这就是“过冷”状态。此时，大气中的微小颗粒（矿物颗粒、生物来源的颗粒等）若充当冰的种子即冰核，水汽便会在其上凝结成冰，诞生出细小的冰粒。

有趣的地方从这里开始。在同一温度下，冰面的饱和水汽压低于过冷水滴表面的数值，因此周围的水滴不断蒸发，其水汽会聚集到冰晶上。只有冰晶单方面地长大——这一过程以发现者命名，称为贝吉龙过程（韦格纳—贝吉龙—芬德森过程），它是包括日本在内的中纬度地区雨雪的来源。

长成的雪晶以每秒数十厘米到1米左右的缓慢速度落下。从数千米高空的云到达地面有时需要数十分钟，在此期间，它会持续把所经过各层的气温与水汽条件刻进自己的形状里。若下落途中条件发生变化，形状也会随之改变。之所以能发现中心是柱状、外侧是板状的“双层”雪晶，原因正在于此。

为什么是六角形——冰的分子结构

六角形的原因在于水分子本身的形状和结合方式。水分子呈“折线”形，两个氢原子以约105度的夹角连接在一个氧原子上。这些分子通过氢键相连后，便会形成以氧原子为顶点的六角形环在平面上排列、并层层堆叠的结构。这就是日常所见冰的结构，因属六方晶系而被称为“冰Ih”。

雪晶生长时，水汽只能沿着原子排列所决定的方向附着。沿六角形平面扩展的方向（a轴方向）生长就成为板状或枝状，沿垂直于平面的方向（c轴方向）生长则成为柱状或针状。决定哪个方向长得更快的正是气温与水汽量，而这一对应关系就是后文要讲的中谷图。

“雪”和“雪晶”是两回事

开始观察之前，有些概念需要区分。我们所说的“雪”，大多并不是单独落下的雪晶，而是许多雪晶黏连在一起的雪片（鹅毛雪），或者水滴冻结其上、变得白浊的霰。能否拍到一片漂亮的单晶，几乎完全取决于当天的气温和雪的品质。

气温在0℃前后时，雪晶容易相互黏连成雪片，落地瞬间就开始融化。气温在零下2℃以下、正下着干爽粉雪的日子，才是最佳的拍摄时机。

中谷宇吉郎与“从天而降的信”

把雪晶从“美丽之物”变为“可读之物”的，是物理学家中谷宇吉郎。这一转变，是通过在日本雪国进行的踏实观测，以及世界首次人造雪实验实现的。

生于加贺，在北国的大学研究雪

中谷宇吉郎于1900年7月4日出生在石川县江沼郡片山津町（今加贺市）。他在东京帝国大学理学部物理学科师从寺田寅彦，1925年毕业。此后经理化学研究所，赴英国伦敦国王学院留学，1930年任北海道帝国大学理学部副教授，1932年升任教授。

中谷本人写道，大意是“之所以开始研究雪，是因为来到北海道后发现雪实在太多了”。以雪作为研究课题近乎偶然的相遇，但他由此积累并分类了三千多张天然雪的显微照片，从中寻找日本的雪所共有的规律。

1936年3月12日，世界上第一次造出雪

无论怎样观察天然雪，都无法证明“这种形状是在这种条件下形成的”，因为天空的条件无法测量。于是中谷选择的办法是：在实验室里造出云，由自己设定条件来培育雪晶。

在低温实验室的装置内供给水汽，并垂下细纤维作为雪晶生长的支点。用作晶核的是兔毛：毛表面细微的突起可充当冰核，雪晶便在其上生长。经过反复摸索，1936年3月12日，装置中诞生了人造的雪晶。这是人类历史上第一次用双手造出雪的瞬间。

人造雪的意义并不在于“造出了雪”本身，而在于可以逐一改变温度与水汽量，全面确认在何种条件下形成何种形状。这些实验的积累，孕育出了下一章的中谷图。1941年，以人造雪研究为基础，决定设立低温科学研究所，并于1943年开所。

写在《雪》中的一句话

在1938年由岩波书店出版的《雪》中，中谷用如下表述道出了自己研究的意义。

可以说，雪是从天而降的信

― 中谷宇吉郎《雪》，岩波书店，1938年

这句话常被当作诗意的比喻引用，但中谷的本意要具体得多。雪晶的形状是高空气温与水汽量写下的“文字”，读懂这些文字，就能知道无法直接测量的天空状态——“信”这个比喻，正是这样一句务实的宣言。在探空气球和气象雷达都尚未普及的年代，一种认识天空的新手段被提了出来。

更重要的是，只要懂得这种“读法”，任何人都能收到天空的来信。不需要特别的装置。落在掌心的一片雪晶，就会讲述此时此刻高空的模样。

中谷图——从雪晶形状读懂高空

中谷从人造雪实验中总结出的，是一张以气温为横轴、以水汽过饱和度（空气中多含了多少水汽）为纵轴，标出各处会形成何种形状雪晶的图。它被称为中谷图，成为雪晶研究的起点。

两条轴决定形状

这张图揭示的原理简单得令人惊讶。气温决定“成为板状还是柱状”，水汽的多少决定“能长得多复杂”。在同样的气温下，水汽少则形成边缘清晰的角板，水汽充沛则形成枝条层层分叉的枝状雪晶。

例如，教科书上常见的美丽六花（枝状雪晶），大致形成于零下15℃前后且水汽充足的条件。同样在零下15℃附近，若水汽稀少，则会形成不长枝的角板。在零下6℃前后水汽较多时，则会出现细长的针状雪晶。

“读信”具体指什么

假设你在地面发现了大量枝状雪晶。沿着中谷图反推，就可以推测高空存在零下15℃前后、水汽丰富的气层。如果混有针状雪晶，说明零下6℃附近也存在湿润的气层。若霰居多，则意味着存在含有大量过冷水滴的厚云。

这不只是智力游戏。在实际的气象研究中，人们会把数值预报模式计算出的高空气温与水汽分布，同地面观测到的雪晶形状相对照来加以验证。雪晶是可以用来核对模式答案的“实物记录”。尤其是关东地区由南岸低气压带来的雪，究竟下雨还是下雪、会不会积雪都很难预测，雪晶提供的信息尤为有用。

后续研究拓宽了这张地图

中谷图并非已经完成的最终版本，此后的验证与拓展一直在继续。在日本气象学会的机关刊物《天气》上，就曾发表过探讨扩散式人造雪制作方法与该图关系的论述，讨论实验方法的差异会使所得图形发生怎样的变化。一张80多年前的图至今仍是讨论的基础，这本身就说明了这项工作的深远影响。

雪晶的分类——从本特利到全球分类

人们常说“没有两片形状相同的雪晶”。严格来说，连枝条细节都完全一致的雪晶几乎不存在，但就大体形状而言，则有明确的类型。整理这些类型的尝试，是伴随摄影术的发展而开始的。

威尔逊·本特利的5381张照片

第一个把雪晶拍成照片的，是美国佛蒙特州杰里科的农民威尔逊·A·本特利（1865—1931）。15岁时他通过母亲的显微镜看到雪晶而为之着迷，用把皮腔相机与显微镜组合起来的自制装置，于1885年1月15日在世界上首次拍下了单片雪晶的显微照片。

此后他一边务农一边终生坚持拍摄，总数达到5381张。1931年秋，收录其中2453张的摄影集《Snow Crystals》出版，此后不久本特利便因肺炎去世。他的工作首次让雪晶的多样性以人人可见的形式呈现出来。中谷开始研究时，能够参考的最大照片资料也正是本特利的这批收藏。

分类从7种发展到121种

中谷根据对天然雪的观测，对日本可见的雪晶作了系统分类。此后，1966年孙野长治与C. W. Lee发表了更为细致的80种分类（孙野—李分类），长期被用作国际标准。

2013年，菊地胜弘、龟田贵雄、樋口敬二、山下晃等人组成的研究团队，基于从中纬度到极地的观测，在国际期刊上发表了新的分类体系。这就是全球分类，由8个大分类、39个中分类、121个小分类构成。121种中有10种是直径0.2毫米以下的冰晶，6种是冻雨、雨夹雪、冰雹等固态降水，若只限于雪晶则为105种。

首先要记住的几种典型形状

完全没有必要背下121种。起步阶段能分辨以下六种类型就足够了，你拍到的照片大多都属于其中之一。

• 星状六花（枝状）：六条枝层层分叉，是最受欢迎的形状。形成于零下15℃前后、水汽充沛时
• 角板：没有枝条、平整的六角形板。在水汽稀少的条件下形成
• 扇状六花：向六个方向展开扇形板，是枝状与角板之间的过渡形态
• 柱状、弹头状：形如铅笔或子弹的细长柱体。在低温气层中长成
• 针状：细针的集合。形成于零下6℃前后、水汽较多时
• 附着云粒的雪晶：表面密布白色小颗粒，是穿过过冷水滴很多的云的证据

用手机拍摄雪晶——需要准备什么

接下来是实践篇。说到拍摄雪晶，似乎必须有显微镜，但如今的手机摄像头只要加上几百日元的微距镜头，就足以捕捉雪晶的细部。气象研究所的云研究者荒木健太郎也反复表示，用百元店的手机微距镜头就能拍出漂亮的雪晶照片。

只需准备三样东西

最大的诀窍是事先把布和手机放到室外冷却。若用从温暖室内直接拿出的布去接雪晶，落下的瞬间就会融成圆圆的水珠。请在拍摄前15至30分钟把它们放到室外。手机过冷会使电量迅速下降，因此比较现实的做法是放在口袋里稍加保温，临拍前再取出。

适合与不适合拍摄的日子

无论准备得多充分，雪的品质不合适就拍不出漂亮的雪晶。以下是应当瞄准的条件。

• 气温在零下2℃以下：0℃前后时落地即融，雪晶之间也容易黏连
• 干爽的粉雪：放在掌心也不会变得水汪汪的雪
• 风力较弱：大风会让雪晶在布上滚动而破碎
• 刚开始下至正在下的时候：已经积起来的雪早已变质，失去了原本的形状
• 雪即将下大之前：细小雪晶单独落下的时段是好时机

反之，气温偏高、雪发黏的日子，大风天，以及想舀起积雪来拍摄，都是容易失败的做法。积雪会随时间推移而变圆、相互结合（即变质），因此接住刚落下的雪才是铁律。

拍摄的步骤与诀窍——对焦、连拍、比例尺

准备就绪后就只剩实践了。雪晶能保持形状的时间很短，视条件不同，几十秒后棱角就会开始变圆。不要犹豫，一口气拍完才是成功的关键。

七个步骤的拍摄流程

1. 把冷却好的深色布铺在不易受风、平坦的地方（长椅、汽车引擎盖、雨伞上等）
2. 接住落下的雪几十秒，颗粒稀疏散落的状态最理想
3. 用肉眼或手机屏幕，选出一片单独落下且形状完整的雪晶
4. 给手机装上微距镜头，并把相机调到最大变焦
5. 把手腕贴在布或地面上固定，靠近到距雪晶几厘米（不用镜头时约10厘米）
6. 缓慢上下移动身体来对焦。比起用手指去追焦点，改变距离更为可靠
7. 焦点对准的瞬间开始连拍。不要只求一张，先拍几十张再从中挑选

其中第5步和第6步尤为重要。手持悬空一定会抖。把手腕或手肘贴地当作三脚架，对焦则靠前后移动手机来完成——仅仅做到这两点，成功率就会大幅提升。

最容易失败的三个环节

还有一种意外常见的失败，是因触碰而弄坏雪晶。想改变位置时不要用手指，而要用细笔尖轻轻拨动。手指一碰，体温会让它瞬间融化。

如何让照片成为“记录”

拍得漂亮的照片本身就令人欣喜。不过只要稍微附上一些信息，它就会变成具有科学价值的数据。需要的有以下四项。

另外，位置信息有时会自动嵌入照片。发到社交平台时，请确认设置，避免住所的详细位置被锁定。对研究而言，精确到市区町村的信息基本上就够了。

你拍的一张照片也能成为研究——#关东雪晶 项目

自己拍的雪晶照片，直接成为气象研究的数据——这样的机制在日本真实存在。它就是气象厅气象研究所的荒木健太郎于2016年度发起的“#关东雪晶”项目。

手机与社交平台催生的超高密度观测

关东平原的雪多由南岸低气压带来，以极难预测而闻名。下雨与下雪的界线十分微妙，高空区区几百米的气温差就决定了是否积雪。然而细致测量高空状态的手段有限，全日本的探空观测点也只有十几处。

于是人们着眼于一个自中谷以来的思路：只要大量收集“落到地面的雪晶形状”，就能在面上推测高空的状态。在配备高性能摄像头的手机与社交平台已然普及的今天，无需特别器材，许多人就能在各自所在地同时进行观测。参与者只需用手机拍下雪晶，并加上话题标签“#関東雪結晶”发布即可。

2016年11月24日，汇集5100张照片的一天

该项目首次取得重大成果，是在2016年11月24日的关东降雪事例中。这一天，市民提交了超过5100张雪晶图像，实现了世界上首次由公众参与的超高密度、大范围雪晶观测。11月在东京市中心积雪，在观测史上都属罕见，而这一罕见现象被众多目光同时记录了下来。

此后每逢降雪数据都在累积，累计规模已超过10万张。收集到的图像会按雪晶类型分类，并与数值预报模式再现的高空气温、水汽分布相对照加以验证。每个人的一张照片，都成为提高日本降雪预测精度的素材。这项工作还获得了2016年度日本雪冰学会奖励奖。

参与时需要注意的事

参与门槛很低，但数据能否发挥作用，取决于记录是否细致。请附上前一章提到的“时间、地点、尺寸、气温”，并且不要丢掉那些没拍好的照片。“当时只有霰和雪片”这样的信息同样有意义。

另一方面，安全与隐私需要注意。下雪天在路上或车道上拍摄伴随危险。请选择能够确认脚下与周围情况的安全场所，并在发布前重新检查位置信息的公开范围。

这种“非专业人士参与观测与分类、为科学作出贡献”的做法被称为公众科学（公民科学），如今已扩展到生物调查、观星等广泛领域。海LAB在什么是公众科学？人人都能参与的生物调查，以及数据的用途一文中整理了日本的案例，一并阅读可以把握全貌。

雪与海是相连的——雪晶之外的水循环

掌心上的小小雪晶，其实是一段壮阔水之旅的一个场景。那些水原本来自海洋，最终也会回到海洋。以雪晶为入口，就能看见日本这个国家的水的运作方式。

日本海成为“造雪工厂”的机制

造成日本海一侧大雪的，是寒冷的西伯利亚冷空气与相对温暖的日本海海面。当冷空气吹过温暖的海面时，海面会向大气输送大量的热与水汽。这一现象称为气团变性，它把干燥的冷空气改造成湿润的雪云。也就是说，落在新潟或金泽的雪，其水分在不久前还是日本海的海水。

尤其引发大雪的，是横贯日本海的线状降雪带“JPCZ（日本海寒带气团辐合带）”。2022年2月，新潟大学、三重大学、水产大学校等组成的研究团队通过日本海上的船舶观测，首次捕捉到JPCZ的内部结构。观测时海面水温14℃、气温3℃，温差11℃，风速为每秒17米。研究显示，从广阔海面蒸发的水汽因气流辐合而集中到JPCZ中，输送量相当于每天2米的降雪量。

海面水温越高，供给的水汽就越多。近年来日本海的海面水温呈长期上升趋势，这正是“即便气温升高，下起雪来反而更猛”这一看似矛盾的现象可能发生的背景。关于海水高温持续的现象，可参见什么是海洋热浪一文的详细介绍。

雪是“储存起来的水”——并终将回归海洋

雨与雪的决定性区别在于，雪会停留在原地，并延迟一段时间才流出。冬季积下的雪储存在山中，从春季到初夏缓慢融化并补给河流。水稻整地期能获得稳定的用水、河流在夏季不会干涸，很大程度上都得益于这一天然的蓄水功能。

融雪水随后在下山的过程中，把山地土壤中的氮、磷、铁等养分溶解带走，经由河口流入沿岸。这些养分滋养浮游植物，支撑起丰饶的渔场。落在山上的一粒雪，辗转之后养育着海里的生物——“森林是海的恋人”这句话所指的，正是这条链条。

气候变暖会让“雪”发生什么变化

气温上升后，最先改变的是降水的形态。即使降水总量相同，若以雨而非雪落下的日子增多，山中储存的水就会减少，春季融雪径流的峰值也会提前并变小。夏季的缺水风险，以及对农业用水、发电用水的影响都令人担忧。

与此同时，由于海水温度上升会增加大气中所含的水汽量，有观点指出，当冷空气南下时短时间内的降雪量反而可能更为剧烈。也就是“下雪的日子变少，但一下就是暴雪”的变化。逐年降雪的多寡还与厄尔尼诺、拉尼娜现象密切相关，其机制可参见厄尔尼诺与拉尼娜如何改变渔业与天气。

而要验证这些变化，恰恰需要实际下了什么样的雪的记录。市民们积累的雪晶照片，会成为核对模式结果的宝贵观测资料。作为兴趣拍下的一张照片，就这样加入了气候研究的基础之中。

想玩得更深入——可以去的地方与下一步

不必等到下雪的日子，也有接触雪与冰世界的方法。最后介绍一些让观察更进一步的场所与做法。

中谷宇吉郎雪的科学馆（石川县加贺市）

在中谷宇吉郎的出生地片山津（今加贺市），设有表彰其功绩的“中谷宇吉郎雪的科学馆”。该馆于1994年11月开馆，建筑由矶崎新设计。面朝柴山潟、以六角形为主题的建筑本身，就是对雪晶的致敬。

馆内除中谷的研究资料和天然雪的显微照片外，还设有钻石尘生成实验、制作冰吊坠等体验型展示。能够接触到中谷多面向的成就——他不仅是物理学家，还以随笔家、纪录片制作者、画家而闻名——也是该馆的魅力所在。即使在不下雪的季节前往，也能亲身体验雪的科学。

不下雪的日子可以做什么

• 拍摄霜的结晶：晴朗的冬日清晨，附着在枯草或车窗上的霜也是六角形的冰晶。它比雪存在得更久，最适合练习
• 寻找窗霜（冰花）：在寒冷地区，玻璃窗上会形成羽毛状的冰纹，是很好的微距拍摄题材
• 观察冰箱里的霜：冷冻室内的霜也是凝华形成的冰晶。同样的物理过程就发生在家里
• 试着给过去的照片分类：把拍过的雪晶按类型重新排列，就能看出与天气的对应关系
• 读一读《雪》：中谷的著作在青空文库也能读到。实验中的艰辛与喜悦，都用平实的文字写了下来

尤其推荐拍摄霜。与雪不同，融化前有充裕的时间，可以从容练习微距对焦。在这里练熟了，真下雪的那天就不会手忙脚乱。

让记录持续下去的小窍门

长期坚持观察的诀窍，是减轻记录的负担。每次拍摄都建一个相册，简单记下日期、地点和气温就足够了。积累几个雪季之后，你就会看出“在这个地区，南岸低气压时扇状六花较多”之类专属于自己的规律。

到了那一步，你已经是天上来信的读者了。把中谷在实验室里确认过的对应关系，套用到自己所在土地的天空上加以验证——这件事只是规模不同，实质上正是他80多年前开创的工作的延续。