为什么窗花上的冰花(霜?)长得和植物那么像?

长得好像植物一样啊,蔓延在窗户上,特漂亮,而且长得还不一样,小时候总是很痴迷的去看,因为真的很好看。楼主猜测是不是因为玻璃上生长过霉菌然后菌丝蔓延的通道在冰晶凝结后显示出特殊的纹路呢【楼主实在是找不到合适的标签了】

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9个答案
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fengfeixue0219植物分子生物学博士

2013-02-28 22:32

玻璃上形成冰花的最基本原理是由于玻璃温度低而室内水蒸气较多,因此水蒸气凝结在玻璃上并结晶形成的冰晶。

不过问题的重点是:为何冰晶会形成树枝状。


冰晶的生长其实是一个不稳定的凝聚过程。首先需要有一个起始的“种子”(凝结核)比如灰尘、突起之类,因此冰花大多是从窗边开始生长的。小冰晶形成之后,更多的水蒸气分子更倾向于向小冰晶的突起处凝聚(简单来说,就是一个突出的角相比于平坦之处更有机会接触水蒸气分子,从而凝结),因此这一突出的角会生长的越来越快。当角伸出的足够长时,其边缘又会因为随机的产生的小的突起而形成新的“角”,(这个过程称作分支不稳定性,branching instability,这一过程也是造成雪花具有千姿百态的原因)。这一过程不断反复,就成了我们看到的树状冰花了。当然,由于玻璃表面有极小的不平整和不均一性(比如有油等),因此冰晶不一定是直线生长从而为弯曲的样子,此外分支的生长方式也有不同,比如呈片状或枝状等。




上图:一滴水滴在-20℃的盘子上,并逐渐凝结,产生尖端;(下图)而尖端继续凝聚空气中的水分子,从而产生三维的树状结构。

这种产生树形结构的结晶其实是很常见的现象,在松花蛋的蛋清中也会观察到类似现象。这一现象也被称作扩散限制凝聚Diffusion-limited Aggregation,DLA)机制。


数学上模拟的一种DLA图样,可以看到和窗花的结构十分类似。

参考:https://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/dendrites/dendrite.htm

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那个谁生态学硕士生

2013-03-02 17:19

其实有很多东西都长得挺像。比如


珊瑚


苔藓


峡谷


河口沙洲

美国数学家曼德布罗特(Benoit Mandelbrot)试图说明万事万物从某种程度上来说都是相似的,并且为这种现象取了一个名字叫“分形(Fractals)“。他在《科学》上发表了一篇名为《英国的海岸线有多长?》的文章来试图说明这个观点。

”英国的海岸线有多长“看起来是个简单的测量学问题,但是曼德布罗特表示,英国海岸线的长度取决于你采取什么样的测量标准,度量标准的尺度越小英国的海岸线就会越发曲折(想象一下在photoshop里面不断用放大镜放大海岸线),而其长度也会由于不断缩小的度量标准尺度而趋近于无穷。而海岸线,植物,冰花,以及山脉等等”分形图像“的特征就是”总体是个体的不断重复“。

传统观念认为事物有各自的规律,冰花和植物属于不同的事物所以指导其形成的模式也应该不同(这也许也是你提出这个问题的原因)。但是根据自组织(Self-organization)理论,事物不是由某些模式指导形成的,模式是事物在重复自身的时候突然”涌现(Emergence)“出来的。

冰花是怎样自我复制的,@fengfeixue0219 老师讲得已经很好了。植物怎样自我复制的,大家生物课都学过了。无非就是细胞的无丝分裂神马的。

所以回到你的问题,”冰花为什么和植物长得像“上面来。答案其实很简单,因为它们都是”有差别的“自我复制的产物。而刚好在同一尺度被你看到了。

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前面@fengfeixue0219 已经把冰花形成过程说得很清楚了,我来续个狗尾。
为什么冰花的形状像植物?或者植物的形状像冰花?这是因为两者的生长原理虽然完全不一样,但其动力学过程却非常相似:例如植物从一棵种子开始生长,这相当于冰晶形成过程中的凝结核。由于顶端优势的原因,植物总是倾向于沿枝干的末端生长,这也与冰晶的长生趋势相似。顶端在生长过程中,为了更好地利用阳光和减少水分和矿物质运输的高度,旁枝也会适当地生长,这个过程又与冰晶分枝的形成类似。正是由于这些动力学上的相似性,使得这两类完全不同的自然过程生成相似的结构。
@珺子 说这个比DLA机制更普适,其实我说的这个基本上就是DLA机制,或者说它可以用一个DLA模型来描述。
具有类似结构的珊瑚,也不难分析出为什么它具有这样结构。理论上珊瑚虫可生活在珊瑚表面任意地方,所以任意分枝都有可能,但是处于珊瑚顶端上的珊瑚虫更容易获得食物,因此顶端优势发挥作用,因此它就具有跟植物一样的结构了。

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Lydia要喝奶科幻迷 认知科学博士狗

2013-03-01 21:31

虽然生长在东北,每次看到还是被震撼。我给自己的解释是,大自然也是有模板的,冬天寒冷的地方没有摇曳的绿色植物,没有各种各样的花儿,大自然就让它们长在窗花里,长在水的结晶里:)

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混沌歌者临床医学/神经科学

2013-03-01 21:33

生长过程都是『自相似性』为驱动力

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支持者: 尘如雾

这个……我到现在还爱看……

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支持者: 尘如雾

这个问题大概可以改成:为什么植物会长成窗花状?
窗花只是一个结晶过程,可是复杂的植物体为什么也具有这个结构了呢~

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如果在没有灰尘的密闭空间里 冰花也是这样么

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