Toward a Comprehensive Model of Snow Crystal Growth: 8. Characterizing Structure-Dependent Attachment Kinetics near -14 C

对雪晶体生长的综合模型：5。在-5 ℃下从背景气体相互作用测量附着动力学的变化

Toward a Comprehensive Model of Snow Crystal Growth: 5. Measurements of Changes in Attachment Kinetics from Background Gas Interactions at -5 C

我们目前的测量扩散限制生长的冰晶从水蒸气在-5 ℃的温度下，在空气中的压力为$p_{air}=1$巴。开始与薄，c轴冰针晶体，随后的生长形态范围从固体棱柱空心柱复杂的“鱼骨”树枝状结构的过饱和度增加。我们模拟了简单的形态，使用分析技术与细胞自动机的方法，在扩散限制生长产生多面晶体结构。我们发现，分子附着系数$α_{prism}$的多面体棱镜表面在空气中，在-5 ℃是大大低于在低背景气压下测量。我们的数据表明，在该温度下，将$p_{air}$从0.01巴增加到1巴会使$α_{prism}$减少近两个数量级。相比之下，我们发现，$α_{basil}$是基本上不受空气压力在这个范围内。这些和其他测量表明，接近熔点的冰面随着温度的变化而经历了一系列复杂的结构和动力学变化，这些变化在很大程度上甚至在定性水平上也无法解释。

雪晶形态图的定量物理模型

A Quantitative Physical Model of the Snow Crystal Morphology Diagram

我描述了一个半经验分子模型的表面附着动力学从水蒸气冰晶生长作为一个功能的温度，过饱和度，和晶体的介观结构。在这个模型中的一个重要的新假设是表面能驱动的分子扩散使一个泄漏的Ehrlich-Schwoebel障碍。建议的表面扩散行为是敏感的刻面宽度和表面预熔化，产生结构依赖的附着动力学与复杂的温度依赖性。通过结合几个合理的假设，对基础和棱镜刻面的表面预熔行为，这个模型可以解释的总体特征的雪晶形态图，这一直是一个持久的科学难题近75年。

对雪晶体生长的综合模型：4。-15 ℃下扩散限制生长的测量

Toward a Comprehensive Model of Snow Crystal Growth: 4. Measurements of Diffusion-limited Growth at -15 C

我们目前的测量扩散限制生长的冰晶从水蒸气在不同的过饱和水平在空气中的温度为-15 ℃。从薄的，c轴的冰针晶体，随后的生长形态范围从块状结构的针尖（在低过饱和度）薄面板的针尖（在高过饱和度）。我们成功地模拟了实验数据，再现生长速率和生长形态，使用细胞自动机的方法，在扩散限制生长产生多面晶体结构。从这个定量分析控制良好的实验测量，我们能够提取信息的附着系数在不同的情况下冰的生长。结果强烈支持以前的工作表明，在棱镜表面上的附着系数是一个函数的棱镜面的宽度。包括这种行为，我们在-15 ℃下创建了一个全面的模型，解释了所有的实验数据。据我们所知，这是第一次演示的动力学模型，再现了一系列的扩散限制冰的生长行为作为过饱和度的函数。

A Taxonomy of Snow Crystal Growth Behaviors: 1. Using c-axis Ice Needles as Seed Crystals

I describe a new approach to the classification of snow crystal morphologies that focuses on the most common growth behaviors that appear in normal air under conditions of constant applied temperature and water-vapor supersaturation. The resulting morphological structures are generally robust with respect to small environmental changes and thus should be especially amenable to computational modeling. Because spontaneous structure formation depends on initial conditions, the choice of seed crystal can be an important consideration, and I have found that slender c-axis ice needles provide an exc…

雪晶体生长动力学的综合模型：1。覆盖特征和物理起源

Toward a Comprehensive Model of Snow Crystal Growth Dynamics: 1. Overarching Features and Physical Origins

我们描述了一个全面的模型，从水蒸气中生长的大气冰晶，也被称为雪晶的形成和形态发展。我们的模型部分来自于对作为温度和过饱和度函数的固有冰增长率的经验测量，以及对扩散驱动的增长不稳定性的额外观察和分析。我们发现，温度依赖性的构象变化与表面熔化强烈影响层成核动力学，这反过来又决定了许多雪晶特性。在我们的模型中的一个关键特征是由结构依赖的附着动力学所发挥的重要作用，产生的生长不稳定性，这在很大程度上是负责形成薄板和中空柱状形式。把这些元素放在一起，我们就能够解释大气冰晶在各种条件下的整体生长行为。虽然我们的模型是复杂的，仍然是不完整的，我们相信它提供了一个有用的框架，指导进一步调查的物理基础雪晶生长。其他有针对性的实验研究应该更好地表征模型，或建议修改，我们计划在本系列的未来出版物中继续进行这些研究。我们的模型还提出了新的途径，继续探索冰面结构和动态的分子动力学模拟。

Triangular Snowflakes: Growing Structures with Three-fold Symmetry using a Hexagonal Ice Crystal Lattice

Snow crystals growing from water vapor occasionally exhibit morphologies with three-fold (trigonal) symmetry, even though the ice crystal lattice has a molecular structure with six-fold symmetry. In extreme cases, thin platelike snow crystals can grow into faceted forms that resemble simple equilateral triangles. Although far less common than hexagonal forms, trigonal snow crystals have long been observed both in nature and in laboratory studies, and their origin has been an enduring scientific puzzle. In this paper I describe how platelike trigonal structures can be grown on the ends of slend…

Snow Crystals

This monograph reviews our current understanding of the physical dynamics of ice crystal growth, focusing on the spontaneous formation of complex structures from water vapor (called snow crystals) as a function of temperature, supersaturation, background gas pressure, and other extrinsic parameters. Snow crystal growth is a remarkably rich and rather poorly understood phenomenon, requiring a synthesis of concepts from materials science, crystal-growth theory, statistical mechanics, diffusion-limited solidification, finite-element modeling, and molecular surface processes. Building upon recent …

雪晶生长中小面斑图形成的数值计算

Numerical computations of facetted pattern formation in snow crystal growth

雪晶的面状生长导致了丰富多样的形式，并表现出显着的六重对称性。雪晶结构是在各向异性表面能和各向异性附着动力学的存在下由扩散限制的晶体生长产生的。现在已经很好地理解，冰晶的形态稳定性强烈地依赖于过饱和度、晶体尺寸和温度。直到最近，对这种高度各向异性的晶体生长进行数值模拟还是非常困难的。特别地，获得与树枝状分支相结合的小面生长是一项具有挑战性的任务。我们提出了一种新的计算方法，在两个和三个空间维度的雪晶体生长的数值模拟。我们提出了定性和定量计算。特别地，观察到尖端速度和过饱和度之间的线性关系。计算还表明，表面能的影响，虽然很小，有一个更大的影响晶体生长比以前预期的。我们计算固体板，固体棱柱，空心柱，针，树枝状晶体，加盖柱和卷轴板。尽管所有这些形式都出现在自然界中，但其中大多数形式都是在连续体模型的数值模拟中首次计算的。

一种测量小冰棱汽相生长速率的通用装置

A Versatile Apparatus for Measuring the Growth Rates of Small Ice Prisms from the Vapor Phase

我描述了一个适应性强的装置，用于精确测量从水蒸气中生长的多面冰棱柱作为温度、过饱和度和背景气压的函数。我还描述了模拟生长数据的程序，以理清各种物理效应，更好地理解系统误差和测量不确定性。通过在广泛的环境条件下进行精确的冰生长测量，该装置非常适合于研究冰/蒸汽界面处的分子附着动力学，这是理解和模拟雪晶体生长动力学所需要的。

弱过冷二元熔体盘状晶体的凝固

The solidification of a disk-shaped crystal from a weakly supercooled binary melt

冰晶从液相生长的物理学，特别是在盐的存在下，受到的关注远远少于雪晶从汽相生长。通过过冷盐水溶液的固化的所谓的冰渣冰的生长与基面中的晶体生长一致，所述基面中的晶体生长受到从固-液界面扩散去除固化的潜热的限制，同时受到垂直方向上的附着动力学的限制。这导致形成具有与半径相比低的厚度纵横比的近似盘形晶体，因为径向生长比轴向生长快得多。我们用数值方法计算了盘状晶体在纯熔体和二元熔体中生长的速度，考虑了相对较慢的轴向生长、流体相中溶解溶质的影响以及固相和液相之间热性质的差异。我们确定了控制晶体生长的主要物理机制，并表明，扩散去除的潜热释放，也拒绝在生长界面的盐是显着的。我们的计算表明，某些以前的参数化，缩放参数的基础上，大大低估了晶体生长速率的一个因素的顺序为10-100低纵横比磁盘，并提供了一个参数化模型中使用的冰晶生长环境设置。