研究發現雪花飛舞遵循一個簡單數學模式

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【大紀元2024年03月03日訊】(大紀元記者林達編譯報導)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。」 ◇

責任編輯:孫芸

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