【2024年03月03日訊】（記者林達編譯報導）儘管雪花的結構變化無窮，但其到達地面的旅程卻非常相似，甚至可以預測。研究人員追蹤了 50 多萬片落下的雪花，發現了一種廣泛的數學模式，可以精確描述其如何在空中旋轉飛舞。
猶他大學（University of Utah）大氣科學家蒂姆·加勒特（Tim Garrett）是這項去年12月發表在《流體物理學》期刊的新研究的資深作者，他研究雪花已近十年。儘管微小、短暫存在的雪花的行為可能看起來無關緊要，但雪花下落速度是天氣和氣候預報的一個關鍵變量，即使在熱帶地區也是如此。大多數降水，無論最終流向何處，都是以雪的形式開始的。
雪花的運動通常在實驗室受控條件下進行研究，但這種研究不能反映自然界的複雜性。幾十年來，在野外仔細觀察飄落的雪花一直是大氣科學家面臨的挑戰。
為了運用一種新方法進行研究，加勒特與猶他大學工程師迪拉吉·庫馬爾·辛格 （Dhiraj Kumar Singh）和埃里克·帕迪雅克 （Eric Pardyjak）合作建造了一台機器，用以測量單個雪花的質量、密度、面積和形狀。通過將該儀器放置在多台攝像機和一個激光平面的下方，研究人員可以跟蹤每片雪花如何響應室外空氣湍流而移動。
「我們讓大氣以一種完全不受科學家控制的方式自由行事，」加勒特說。 「這就是為什麼我們最終發現了一種非凡的簡單和優雅。」
研究人員發現雪花的平均加速度（在本研究中相當於雪花旋轉的程度）與其斯托克斯系數（Stokes number，描述物體對空氣湍流變化的響應速度的值）之間存在線性相關性。例如，寬而蓬松的薄片雪花比流線型的會旋轉得更多。
利用斯托克斯系數，研究人員現在可以預測單片雪花落下時會旋轉多少。在更廣泛的範圍內，研究小組驚訝地發現，儘管空氣湍流以及雪花形狀和大小存在很大變化，但平均雪花旋轉程度的分布符合一條近乎完美的指數曲線（一種固定的數學模式）。
這種規律性的原因目前仍然是個謎。但加勒特說，這可能與空氣湍流如何促使雪花形狀和大小發生波動有關，反過來又可以調整它們對湍流的反應。
明尼蘇達大學機械工程師洪家榮（Jiarong Hong，音譯） 表示，需要進一步研究來評估數學模式的普遍性。他補充說：「我們將研究這一結果對在不同條件下捕獲雪花數據集的適用性，」包括不同的海拔和地面粗糙度。
如果這種模式確實普遍存在，「這一簡單性的存在表明，它應該也有一個簡單的解釋，」加勒特說。 「我們只需要去找到它。」 ◇
