เกล็ดหิมะ คือ ผลึกน้ำแข็งเดี่ยวที่มีขนาดใหญ่พอที่จะตกลงมาผ่านชั้นบรรยากาศของโลกเป็นหิมะ^{[ 1 ] [ 2 ]} [ ^{3 ]}หิมะ มีสีขาวแม้ว่าจะทำจากน้ำแข็งใสก็ตาม นี่เป็นเพราะ เหลี่ยมมุมเล็กๆ จำนวนมากของเกล็ดหิมะ^{กระจาย}แสงอาทิตย์ระหว่างกัน^{[ 4 ]}

เกล็ดหิมะแต่ละเกล็ดเริ่มต้นจากการก่อตัวรอบอนุภาคเล็กๆ ที่เรียกว่านิวเคลียสโดยสะสมหยดน้ำซึ่งจะแข็งตัวและค่อยๆก่อตัวเป็นผลึกรูปร่างที่ซับซ้อนจะปรากฏขึ้นเมื่อเกล็ดหิมะเคลื่อนที่ผ่านโซนอุณหภูมิและความชื้น ที่แตกต่างกัน ในชั้นบรรยากาศ และอาจรวมตัวกับเกล็ดหิมะอื่นๆ ด้วยเหตุนี้ เกล็ดหิมะจึงมักมีรูปร่างที่แตกต่างกันมาก อย่างไรก็ตาม อาจแบ่งออกได้เป็น8 ประเภทใหญ่ๆและอย่างน้อย 80 รูปแบบย่อย รูปร่างหลักของผลึกน้ำแข็ง ซึ่งอาจเกิดการรวมกันได้ ได้แก่รูปเข็มรูปเสารูปแผ่นและรูปน้ำค้างแข็ง

เกล็ดหิมะก่อตัวขึ้นรอบอนุภาคแร่หรือสารอินทรีย์ในมวลอากาศที่อิ่มตัวด้วยความชื้นและมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง พวกมันเติบโตโดยการสะสมสุทธิไปยังผลึกที่กำลังก่อตัวในรูปแบบหกเหลี่ยม แรงยึดเหนี่ยวส่วนใหญ่เป็นแรงไฟฟ้าสถิต^{[ 5 ]}

การเจริญเติบโต

เมื่อหยดน้ำแข็งตัวเป็นนิวเคลียสน้ำแข็งแล้ว มันจะเติบโตใน สภาพแวดล้อม ที่อิ่มตัวยิ่งยวดซึ่งความชื้นที่เป็นของเหลวอยู่ร่วมกับน้ำแข็งเกินจุดสมดุลที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง จากนั้นหยดน้ำจะเติบโตโดยการตกตะกอนของโมเลกุลน้ำในอากาศ (ไอน้ำ) ลงบนพื้นผิวของผลึกน้ำแข็งซึ่งจะถูกรวบรวมไว้ เนื่องจากหยดน้ำมีจำนวนมากกว่าผลึกน้ำแข็งมากเนื่องจากความอุดมสมบูรณ์ของมัน ผลึกจึงสามารถเติบโตได้ถึงหลายร้อยไมโครเมตรหรือมิลลิเมตรโดยแลกกับหยดน้ำ กระบวนการนี้เรียกว่ากระบวนการ Wegener–Bergeron– Findeisen ^{[ 9 ]}

การลดลงของไอน้ำที่เกิดขึ้นส่งผลให้หยดน้ำระเหย ซึ่งหมายความว่าผลึกน้ำแข็งจะเติบโตโดยใช้หยดน้ำเป็นแหล่งพลังงาน ผลึกขนาดใหญ่เหล่านี้เป็นแหล่งกำเนิดฝนที่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากผลึกเหล่านี้ตกลงมาจากชั้นบรรยากาศเนื่องจากมวลของมัน และอาจชนกันและเกาะติดกันเป็นกลุ่มหรือก้อน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วกลุ่มเหล่านี้จะเป็นอนุภาคน้ำแข็งชนิดที่ตกลงสู่พื้น^{[ 10 ]}

กินเนสส์เวิลด์เรคคอร์ดส์บันทึกว่าเกล็ดหิมะที่รวมกันขนาดใหญ่ที่สุดในโลกคือเกล็ดหิมะที่ฟอร์ตคีโอห์รัฐมอนแท นา ในเดือนมกราคม ค.ศ. 1887 ซึ่งอ้างว่ามี ความกว้าง 38 ซม. (15 นิ้ว)ซึ่งเกินขอบเขตปกติของเกล็ดหิมะที่รวมกันซึ่ง มีความกว้าง 7.5 หรือ 10 ซม. (3 หรือ 4 นิ้ว) มีการสังเกตพบ ผลึกเดี่ยวที่มีขนาดเท่าเหรียญสิบเซนต์ ( เส้นผ่านศูนย์กลาง18 มม. หรือ 0.705 นิ้ว ) ^{[ 3 ]}เกล็ดหิมะที่ถูกห่อหุ้มด้วยน้ำแข็งเกาะ จะก่อตัวเป็น ก้อนที่เรียกว่าเกรปเพล^{[ 11 ]}   

รูปร่าง

สี

แม้ว่าน้ำแข็งจะใส แต่หิมะมักจะปรากฏเป็นสีขาวเนื่องจากการสะท้อนแสงแบบกระจายของสเปกตรัมแสงทั้งหมดโดยการกระเจิงของแสงโดยเหลี่ยมผลึกเล็กๆ ของเกล็ดหิมะที่ประกอบขึ้นเป็นหิมะ^{[ 4 ]}

รูปร่าง

รูปร่างของเกล็ดหิมะโดยทั่วไปจะถูกกำหนดโดยอุณหภูมิและความชื้นที่มันก่อตัวขึ้น^{[ 10 ]}ในบางกรณีที่อุณหภูมิประมาณ−2 °C (28 °F)เกล็ดหิมะสามารถก่อตัวเป็นสมมาตรสามเท่าได้ — เกล็ดหิมะรูปสามเหลี่ยม^{[ 12 ]}อนุภาคหิมะส่วนใหญ่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ แม้ว่าโดยทั่วไปจะถูกวาดให้เป็นสมมาตรก็ตาม เป็นไปได้ยากที่เกล็ดหิมะสองเกล็ดจะเหมือนกัน เนื่องจากโมเลกุลน้ำประมาณ 10 ¹⁹ (10 ควินทิลเลียน) โมเลกุลที่ประกอบเป็นเกล็ดหิมะทั่วไป^{[ 13 ]}ซึ่งเติบโตในอัตราที่แตกต่างกันและในรูปแบบที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความชื้นที่เปลี่ยนแปลงภายในบรรยากาศที่เกล็ดหิมะตกลงมาสู่พื้นดิน^{[ 14 ]}เกล็ดหิมะที่ดูเหมือนกัน แต่อาจแตกต่างกันในระดับโมเลกุล ได้ถูกสร้างขึ้นภายใต้สภาวะควบคุม^{[ 15 ]}  

แม้ว่าเกล็ดหิมะจะไม่สมมาตรอย่างสมบูรณ์แบบ แต่การเติบโตของเกล็ดหิมะที่ไม่รวมตัวกันมักจะมีลักษณะสมมาตรแบบรัศมีหกเท่าซึ่งเกิดจากโครงสร้างผลึกหกเหลี่ยม ของน้ำแข็ง^{[ 16 ]}ในขั้นตอนนี้ เกล็ดหิมะจะมีรูปร่างเป็นรูปหกเหลี่ยมขนาดเล็ก แขนทั้งหกของเกล็ดหิมะ หรือเดนไดรต์ จะเติบโตอย่างอิสระจากแต่ละมุมของรูปหกเหลี่ยม ในขณะที่แต่ละด้านของแต่ละแขนจะเติบโตอย่างอิสระ^{[ 17 ]}

สภาพแวดล้อมขนาดเล็กที่เกล็ดหิมะเติบโตนั้นเปลี่ยนแปลงไปอย่างต่อเนื่องเมื่อเกล็ดหิมะตกลงมาผ่านเมฆ และการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของอุณหภูมิและความชื้นส่งผลต่อวิธีที่โมเลกุลของน้ำเกาะติดกับเกล็ดหิมะ เนื่องจากสภาพแวดล้อมขนาดเล็ก (และการเปลี่ยนแปลงของมัน) เกือบจะเหมือนกันรอบๆ เกล็ดหิมะ แขนแต่ละข้างจึงมีแนวโน้มที่จะเติบโตในลักษณะเดียวกัน อย่างไรก็ตาม การอยู่ในสภาพแวดล้อมขนาดเล็กเดียวกันไม่ได้หมายความว่าแขนแต่ละข้างจะเติบโตในลักษณะเดียวกันเสมอไป อันที่จริง สำหรับผลึกบางรูปแบบนั้นไม่เป็นเช่นนั้น เพราะกลไกการเติบโตของผลึกพื้นฐานยังส่งผลต่อความเร็วในการเติบโตของแต่ละบริเวณพื้นผิวของผลึกด้วย^{[ 18 ]}

การศึกษาเชิงประจักษ์ชี้ให้เห็นว่าเกล็ดหิมะน้อยกว่า 0.1% เท่านั้นที่มีรูปร่างสมมาตรหกเท่าในอุดมคติ^{[ 19 ]}นานๆ ครั้งจะพบเกล็ดหิมะที่มีกิ่งก้านสิบสองกิ่ง ซึ่งยังคงรักษาสมมาตรหกเท่าไว้^{[ 20 ]}

เกล็ดหิมะก่อตัวขึ้นในรูปทรงที่ซับซ้อนหลากหลายรูปแบบ ทำให้เกิดแนวคิดที่ว่า "ไม่มีเกล็ดหิมะใดเหมือนกัน" แม้ว่าจะสามารถสร้างเกล็ดหิมะที่เกือบเหมือนกันได้ในห้องปฏิบัติการ แต่ก็ไม่น่าจะพบได้ในธรรมชาติ^{[ 22 ] [ 13 ] [ 23 ] [ 24 ]} ความพยายามครั้งแรกในการค้นหาเกล็ดหิมะที่เหมือนกันโดย การถ่ายภาพเกล็ดหิมะหลายพันเกล็ดด้วยกล้องจุลทรรศน์ตั้งแต่ปี 1885 เป็นต้นมาโดยWilson Alwyn Bentleyทำให้เกิดเกล็ดหิมะหลากหลายรูปแบบที่เรารู้จักในปัจจุบัน^{[ 25 ]}

Ukichiro Nakayaได้พัฒนาแผนภาพสัณฐานวิทยาของผลึก โดยเชื่อมโยงรูปร่างของผลึกกับอุณหภูมิและสภาวะความชื้นที่ผลึกก่อตัวขึ้น ซึ่งสรุปไว้ในตารางต่อไปนี้: ^{[ 26 ]}

รูปร่างของเกล็ดหิมะถูกกำหนดโดยอุณหภูมิและความชื้นที่ก่อตัวเป็นหลัก^{[ 10 ]}การทำให้อากาศเย็นจัดจนถึง −3 °C (27 °F)ส่งเสริมให้เกิดผลึกแบบแผ่น (บางและแบน) ในอากาศที่เย็นกว่าจนถึง−8 °C (18 °F)ผลึกจะก่อตัวเป็นเสากลวง ปริซึม หรือเข็ม ในอากาศที่เย็น จัดถึง −22 °C (−8 °F)รูปร่างจะกลับมาเป็นแผ่นอีกครั้ง มักมีลักษณะเป็นกิ่งก้านหรือเดนไดรต์ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า−22 °C (−8 °F)ผลึกจะกลายเป็นแผ่นหรือเสา ขึ้นอยู่กับระดับความอิ่มตัว ดังที่นาคายะค้นพบ รูปร่างยังเป็นฟังก์ชันของว่าความชื้นที่พบนั้นอยู่เหนือหรือต่ำกว่าจุดอิ่มตัว รูปแบบที่อยู่ต่ำกว่าเส้นความอิ่มตัวมีแนวโน้มที่จะแข็งและกะทัดรัดมากขึ้น ผลึกที่ก่อตัวในอากาศที่อิ่มตัวเกินมีแนวโน้มที่จะโปร่ง ละเอียดอ่อน และประณีตมากขึ้น รูปแบบการเติบโตที่ซับซ้อนกว่านั้นก็เกิดขึ้นได้เช่นกัน เช่น ระนาบด้านข้าง โรเซ็ตกระสุน และแบบระนาบ ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขและนิวเคลียสของน้ำแข็ง^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}หากผลึกเริ่มก่อตัวในระบอบการเติบโตแบบคอลัมน์ ที่อุณหภูมิประมาณ−5 °C (23 °F)แล้วตกลงสู่ระบอบแบบแผ่นที่อุ่นกว่า ผลึกแบบแผ่นหรือแบบเดนไดรต์จะงอกออกมาที่ปลายคอลัมน์ ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า "คอลัมน์ปิด" ^{[ 10 ]}          

Magono และ Lee ได้คิดค้นการจำแนกประเภทของผลึกหิมะที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่ ซึ่งรวมถึงรูปทรงที่แตกต่างกัน 80 แบบ โดยจะแสดงรายการไว้ในหมวดหมู่หลักต่อไปนี้ (พร้อมสัญลักษณ์): ^{[ 30 ]}

• ผลึกรูปเข็ม (N) – แบ่งย่อยเป็น: ผลึกรูปเข็มเดี่ยวและผลึกรูปเข็มผสม
• ผลึกทรงกระบอก (C) – แบ่งย่อยออกเป็น: ทรงกระบอกเดี่ยวและทรงกระบอกผสม
• ผลึกแผ่น (P) – แบ่งย่อยออกเป็น: ผลึกปกติในระนาบเดียว, ผลึกแผ่นที่มีส่วนต่อขยาย, ผลึกที่มีกิ่งก้านจำนวนไม่สม่ำเสมอ, ผลึกที่มี 12 กิ่ง, ผลึกผิดรูป, กลุ่มกิ่งแผ่นที่แผ่กระจายออก
• การรวมกันของผลึกทรงกระบอกและผลึกแผ่น (CP) – แบ่งย่อยออกเป็น: ทรงกระบอกที่มีผลึกแผ่นที่ปลายทั้งสองข้าง, ทรงกระบอกที่มีผลึกแผ่น, ผลึกแผ่นที่มีส่วนขยายในอวกาศที่ปลายทั้งสองข้าง
• ผลึกทรงกระบอกที่มีระนาบด้านข้างยื่นออกมา (S) – แบ่งย่อยออกเป็น: ระนาบด้านข้าง, ระนาบด้านข้างคล้ายเกล็ด, การรวมกันของระนาบด้านข้าง, รูปทรงกระสุน และทรงกระบอก
• ผลึกมีขอบ (R) – แบ่งย่อยเป็น: ผลึกมีขอบ, ผลึกมีขอบหนาแน่น, ผลึกคล้ายลูกเห็บ, ลูกเห็บ
• ผลึกหิมะรูปร่างไม่สม่ำเสมอ (I) – แบ่งย่อยเป็น: อนุภาคน้ำแข็ง, อนุภาคเกาะน้ำแข็ง, ชิ้นส่วนที่แตกหักจากผลึก, อื่นๆ
• จุดเริ่มต้นของผลึกหิมะ (G) – แบ่งย่อยออกเป็น: คอลัมน์ขนาดเล็ก, จุดเริ่มต้นของผลึกรูปทรงโครงกระดูก, แผ่นหกเหลี่ยมขนาดเล็ก, ผลึกรูปดาวขนาดเล็ก, กลุ่มแผ่นขนาดเล็ก, จุดเริ่มต้นของผลึกรูปทรงไม่สม่ำเสมอ

พวกเขาบันทึกแต่ละภาพด้วยไมโครกราฟ^{[ 31 ]}

การจำแนกประเภทหิมะตามฤดูกาลบนพื้นดินระหว่างประเทศอธิบายถึงการจำแนกประเภทผลึกหิมะเมื่อตกบนพื้นดิน ซึ่งรวมถึงรูปร่างและขนาดของเม็ดหิมะ ระบบนี้ยังกำหนดลักษณะของชั้นหิมะ เนื่องจากผลึกแต่ละชนิดเปลี่ยนแปลงรูปร่างและรวมตัวกัน^{[ 32 ]}

เกล็ดหิมะมักเป็นภาพหรือลวดลายตามฤดูกาลแบบดั้งเดิมที่ใช้ในช่วงเทศกาลคริสต์มาสโดยเฉพาะในยุโรปและอเมริกาเหนือคริสต์มาสเป็นการเฉลิมฉลองการจุติของพระเยซูตามความเชื่อของคริสเตียน ซึ่งพระองค์ทรงไถ่บาปของมนุษยชาติดังนั้นในประเพณีคริสต์มาสของยุโรปและอเมริกาเหนือ เกล็ดหิมะจึงเป็นสัญลักษณ์ของความบริสุทธิ์^{[ 33 ] [ 34 ]}นอกจากนี้ เกล็ดหิมะยังเกี่ยวข้องกับสภาพอากาศ " คริสต์มาสสีขาว " ที่มักเกิดขึ้นในช่วงเทศกาลคริสต์มาส อีกด้วย ^{[ 34 ]}

เกล็ดหิมะมักถูกใช้เป็นสัญลักษณ์แทนฤดูหนาวหรือสภาพอากาศหนาวเย็น ตัวอย่างเช่นยางรถยนต์ สำหรับหิมะ ซึ่งช่วยเพิ่มแรงยึดเกาะในสภาพการขับขี่ในฤดูหนาวที่รุนแรง จะมีสัญลักษณ์เกล็ดหิมะบนภูเขา^{[ 35 ]}เกล็ดหิมะที่ได้รับการออกแบบอย่างมีสไตล์เป็นส่วนหนึ่งของตราสัญลักษณ์ของ^การ แข่งขัน กีฬาโอลิมปิกฤดูหนาวปี1968 , 1972 , 1984 , 1988 , 1998และ2002 [ ^{36 ] [ 37 ]}

เกล็ดหิมะหกเหลี่ยมที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งใช้สำหรับเครื่องราชอิสริยาภรณ์แห่งแคนาดา (ระบบเกียรติยศระดับชาติ) กลายเป็นสัญลักษณ์ของมรดกทางเหนือและความหลากหลายของชาวแคนาดา^{[ 38 ]}

สัญลักษณ์เกล็ดหิมะสามแบบที่แตกต่างกันถูกเข้ารหัสในUnicodeได้แก่ "เกล็ดหิมะ" ที่ U+2744 (❄); " เกล็ดหิมะ สามแฉก แน่น " ที่ U+2745 (❅); และ " เกล็ดหิมะ รูปตัววี หนา " ที่ U+2746 (❆) ^{[ 39 ]}

ในสมัยราชวงศ์ถัง บางครั้งเกล็ดหิมะในบทกวีก็ทำหน้าที่เป็นสัญลักษณ์ของพลังจักรวาลของเต๋าและกาแล็กซีทางช้างเผือก^{[ 40 ]}

ภาพถ่ายบางส่วนที่ถ่ายโดยวิลสัน เบนท์ลีย์ (ค.ศ. 1865–1931):

การศึกษาภาพถ่ายที่ครอบคลุมของเกล็ดหิมะสดแสดงให้เห็นว่าความสมมาตรที่เรียบง่ายซึ่งปรากฏในภาพถ่ายของเบนท์ลีย์นั้นหายาก^{[ 41 ]}

• เกล็ดหิมะโคช – เส้นโค้งทางคณิตศาสตร์ที่มีลักษณะคล้ายเกล็ดหิมะ
• Sekka Zusetsu – คู่มือเกี่ยวกับรูปทรงเกล็ดหิมะที่เขียนขึ้นในประเทศญี่ปุ่นในศตวรรษที่ 19
• เซลบูโรส — ลวดลายดอกไม้แปดแฉกที่อาจทำให้เข้าใจผิดว่าเป็นเกล็ดหิมะ
• ลำดับเหตุการณ์ของการวิจัยเกล็ดหิมะ

• ลิบเบรชท์, เคนเนธ จี. (2006) คู่มือภาคสนามของ Ken Libbrecht เกี่ยวกับเกล็ดหิมะ สำนักพิมพ์นักเดินทางไอเอสบีเอ็น 978-0-7603-2645-9.

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเกล็ดหิมะ

• ศาสตราจารย์Kenneth G. Libbrecht จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนียให้ข้อมูลเกี่ยวกับพารามิเตอร์ของการก่อตัวของเกล็ดหิมะ:
  • ภาพรวม
  • คู่มือออนไลน์เกี่ยวกับเกล็ดหิมะและผลึกน้ำแข็ง
  • สัมภาษณ์พร้อมวิดีโอ