雪の結晶はどうして六角形なの？

仕組みの科学

雪の結晶は、空の高いところで水蒸気が液体の水を経ずに直接氷になってできる。福岡管区気象台の解説によれば、水分子が衝突して氷の結晶ができるとき、水分子がバランス良く結合するためには六角形になる必要がある。これが「雪はなぜ六角形か」の答えの核心で、最初にできる小さな結晶は六角形をしている。その後、周囲の水蒸気が結晶にくっついて成長していく。どのような形に成長するかは、そのときの気象条件で決まる。水平に成長すれば板状、垂直に成長すれば柱状の結晶になる。また、先端のとがった部分は他に比べて成長しやすいため、六角形の角がどんどん成長して、よく見かける樹枝状の結晶になる。北海道大学の解説でも、結晶は最初は六角柱で、その後の温度で角板状になるか角柱状になるかが決まり、水蒸気の量が形の複雑さを決めると説明されている。水蒸気が多いと辺や角が成長し、より複雑な形になるのだ。温度と水蒸気量と結晶の形の関係を整理した図は中谷ダイヤグラムや小林ダイヤグラムと呼ばれ、大型で複雑な樹枝状の結晶は、気温がマイナス15℃前後で水蒸気が多いときに発生することが分かっている。さらに、結晶は地上に降ってくる途中でも気温や湿度で形を変えるため、雪の結晶は一つとして同じ形のものはないとされる。

歴史と発見

「雪は天から送られた手紙」。この言葉を残したのは、雪の研究者の中谷宇吉郎である。北海道大学の記事によれば、中谷は人工雪を作ることに成功し、雪の結晶の形を決めるのは温度と水蒸気の量であることを発見した。空から降ってきた結晶の形を見れば、その結晶が育った上空の温度や水蒸気の状態が分かる。だから雪の結晶は、空の様子を伝える手紙なのだ。この関係を図にまとめたものが中谷ダイヤグラムで、福岡管区気象台はこの図を、天からの手紙を読むためのロゼッタストーンと紹介している。中谷の研究はその後も受け継がれた。北海道大学低温科学研究所の広報誌によれば、研究者の古川義純は中谷の弟子のひとりである小林禎作とともに15年にわたって雪の結晶を研究し、近年では宇宙での氷の結晶成長実験も行っている。古川は研究所の若手研究者とともに、氷点下10℃を下回る大雪山で、空から降ってくる結晶を採取して観察や撮影を続けている。観察すると、結晶の形は千差万別でも、ほとんどが正六角形の樹枝状構造をもち、一つの結晶の六本の枝は枝分かれの場所や形がほとんど同じで、きれいな左右対称になっている。一本ずつ枝の形が違うという結晶は、まずないという。

もう一歩先

なぜ六本の枝は、離れた場所で育つのに同じ形になるのか。古川義純の解説によれば、天然の雪の結晶は空気抵抗を受けながら落下するので、花びらが舞い落ちるときのようにくるくると回転しながら落ちてくる。コーヒーに入れたミルクをかき回して均一にするのと同じように、回転することで六本の枝のまわりの条件が均等になり、ほぼ同じ条件の下で同じ形に成長する。これが神秘的なまでの対称性を生んでいるのだという。一方、中谷の人工雪は装置内に固定されたウサギの毛の上で成長するため、下から吹き上げる風の中で枝ごとに空気の流れに違いが生まれ、下側が少し大きく成長する。自然の結晶の美しさには、回転という動きが関わっているわけだ。雪の結晶は身近な観察対象でもある。福岡管区気象台によれば、大きなものは1mm以上あり、服についた結晶をそのまま見ることもできるが、虫眼鏡を使ったりカメラで撮って拡大したりするときれいに見える。北海道大学の記事も、綿雪をジャンバーの袖の上にのせてじっと目を凝らすと結晶が見え、樹枝状六花やシダ状六花のような形が観察できると伝えている。雪が降る日は、空からの手紙を自分の目で読んでみてはどうだろう。なお、雪が白く見える理由は、結晶が六角形であることとは別の問いになる。「雪はどうして白いの？」の記事で解説している。