研究发现雪花飞舞遵循一个简单数学模式

Daphane

來源:大纪元



各种形状的雪花示意图。(Shutterstock)

【大纪元2024年03月03日讯】（大纪元记者林达编译报导）尽管雪花的结构变化无穷，但其到达地面的旅程却非常相似，甚至可以预测。研究人员追踪了 50 多万片落下的雪花，发现了一种广泛的数学模式，可以精确描述其如何在空中旋转飞舞。

犹他大学（University of Utah）大气科学家蒂姆·加勒特（Tim Garrett）是这项去年12月发表在《流体物理学》期刊的新研究的资深作者，他研究雪花已近十年。尽管微小、短暂存在的雪花的行为可能看起来无关紧要，但雪花下落速度是天气和气候预报的一个关键变量，即使在热带地区也是如此。大多数降水，无论最终流向何处，都是以雪的形式开始的。

雪花的运动通常在实验室受控条件下进行研究，但这种研究不能反映自然界的复杂性。几十年来，在野外仔细观察飘落的雪花一直是大气科学家面临的挑战。

为了运用一种新方法进行研究，加勒特与犹他大学工程师迪拉吉·库马尔·辛格 （Dhiraj Kumar Singh）和埃里克·帕迪雅克 （Eric Pardyjak）合作建造了一台机器，用以测量单个雪花的质量、密度、面积和形状。通过将该仪器放置在多台摄像机和一个激光平面的下方，研究人员可以跟踪每片雪花如何响应室外空气湍流而移动。

“我们让大气以一种完全不受科学家控制的方式自由行事，”加勒特说。 “这就是为什么我们最终发现了一种非凡的简单和优雅。”

研究人员发现雪花的平均加速度（在本研究中相当于雪花旋转的程度）与其斯托克斯系数（Stokes number，描述物体对空气湍流变化的响应速度的值）之间存在线性相关性。例如，宽而蓬松的薄片雪花比流线型的会旋转得更多。

利用斯托克斯系数，研究人员现在可以预测单片雪花落下时会旋转多少。在更广泛的范围内，研究小组惊讶地发现，尽管空气湍流以及雪花形状和大小存在很大变化，但平均雪花旋转程度的分布符合一条近乎完美的指数曲线（一种固定的数学模式）。

这种规律性的原因目前仍然是个谜。但加勒特说，这可能与空气湍流如何促使雪花形状和大小发生波动有关，反过来又可以调整它们对湍流的反应。

明尼苏达大学机械工程师洪家荣（Jiarong Hong，音译） 表示，需要进一步研究来评估数学模式的普遍性。他补充说：“我们将研究这一结果对在不同条件下捕获雪花数据集的适用性，”包括不同的海拔和地面粗糙度。

如果这种模式确实普遍存在，“这一简单性的存在表明，它应该也有一个简单的解释，”加勒特说。 “我们只需要去找到它。”