氷晶

氷晶（ひょうしょう）とは

氷晶とは、氷の結晶のことです。特に、大気中で見られる六角柱、六角板、樹枝状などの形をした小さな氷の粒子を指すことが多いです。成長した氷晶は、雪片や霰、雹といった様々な形で地上に降り注ぎます。

氷晶の物理化学

水が凍って大きな氷の塊になる場合、一般的には氷晶とは呼ばれません。しかし、そのような氷の表面にも、六方晶の結晶構造に由来する溝や凹凸が見られることがあります。これは、大気中の水蒸気が昇華することで形成される模様です。

氷晶は、液体の水が凍結したり、気体の水蒸気が昇華したりする際に生成されます。特に、大気中で凍結した氷は、水中で凍結した氷よりも、明確な形を持つ氷晶を形成しやすい傾向があります。

氷晶形成の条件

大気中で氷晶が形成されるためには、以下の3つの条件が必要です。

1. 気温が氷点下（0℃以下）であること
2. 氷晶核が存在すること
3. 大気が過飽和の状態であるか、水滴が浮遊している状態であること

氷晶核とは、水分子が集まり氷晶の核となる微粒子です。氷晶核がない場合、気温が氷点下でも水滴は過冷却状態のまま凍結せずに漂います。ただし、-33℃以下になると氷晶核がなくても凍結が始まり、約-42℃ではほぼ全ての水滴が凍結します。また、振動などの外的刺激があれば、より高い温度でも凍結が始まることがあります。

氷晶核の役割

氷晶核は、結晶化の最初の段階である核形成を促進します。水滴に氷晶核が衝突したり、氷晶核が水蒸気を引き寄せたりすることで、水分子が凝集し、数ナノメートル程度の集団を形成します。この集団が一定の大きさを超えると安定化し、結晶成長が始まります。

過冷却状態の水滴中に氷晶が存在する場合、氷晶の周囲の方が過冷却水滴の周囲よりも飽和水蒸気圧が低くなります。そのため、過冷却水滴は蒸発しやすくなり、蒸発した水蒸気が氷晶に昇華することで、氷晶は急速に成長します（ライミング）。成長した氷晶は重力を増し、落下を始めます。小さな氷晶や過冷却水滴は落下速度が遅いため、成長中の氷晶に追いつき、さらに成長を促します。

物体表面での氷晶形成

物体表面は、大気中の氷晶核と同様の役割を果たすため、過冷却状態になりにくく、氷晶が形成されやすくなります。

氷晶と大気光学現象

雲の中の氷晶は、六方晶に由来する60度、90度、120度の面を持っています。これらの面で太陽や月の光が屈折することで、暈（かさ）と呼ばれる円状や円弧状の光、その他様々な大気光学現象が生じます。

氷晶のパターンとその条件

氷晶の形は、氷晶核の種類、気温、湿度、気流など、様々な条件の組み合わせによって変化します。雪の結晶は、氷晶単体またはその集合体であり、一つの雪片の中に異なる種類の氷晶が集合していることもあります。

初期の氷晶や極寒時に見られる細氷は、単純な六角板や六角柱、針のような形をしています。成長して大きな雪の結晶になると、複雑な形をしたものが増えます。一方、霜、樹霜、海氷、結氷などは、雪の結晶とは少し異なった形をしています。霜柱はさらに独特な形をしています。

降水の氷晶

雪
霰（あられ）
雹（ひょう）
凍雨（とうう）
細氷（さいひょう）

その他の氷晶

霜（しも）
樹霜（じゅそう）
霜柱（しもばしら）
* 海氷・結氷

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