儘管雪花具有無限的結構變化，但它們到達地球的旅程卻非常相似，甚至可以預測。研究人員追蹤了超過五十萬片飄落的雪花，發現了一個廣泛的數學模式，精確地描述了它們如何在空氣中盤旋。
猶他大學大氣科學家蒂姆·加勒特（Tim Garrett）是Physics of Fluids雜誌上發表的一項新研究的資深作者，他研究雪花已近十年。儘管如此微小、短暫的物體的行為似乎無關緊要，但它們的下降速度是天氣和氣候預報中的關鍵變數，即使在熱帶地區也是如此；大多數降水，無論最終落在哪裡，都始於雪。
雪花運動通常在受控的實驗室條件下進行研究，但這並不能反映自然界的複雜性。數十年來，在野外仔細觀察飄落的雪花一直困擾著大氣科學家。
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為了採用一種新方法，加勒特與猶他大學的工程師迪拉吉·庫馬爾·辛格（Dhiraj Kumar Singh）和埃裡克·帕迪亞克（Eric Pardyjak）合作，製造了一臺機器，用於測量落在熱板上的單片雪花的質量、密度、面積和形狀。透過將該儀器放置在攝像機和激光面下方，研究人員可以追蹤每片雪花如何響應室外空氣湍流而運動。
加勒特說：“我們能夠讓大氣層表達自身，以一種完全不受科學家控制的方式表現。我認為這就是為什麼我們最終發現了一種非凡的簡單性，一種優雅。”
研究人員發現，雪花的平均加速度（在本研究中，相當於它的盤旋程度）與其斯托克斯數之間存線上性相關性，斯托克斯數是一個描述物體對空氣湍流變化響應速度的值。例如，一片寬而蓬鬆的雪花比一片流線型的雪花盤旋得更多。
利用斯托克斯數，研究人員現在可以預測單片雪花在下落時會盤旋多少。在更廣泛的範圍內，研究小組驚訝地發現，儘管空氣湍流和雪花形狀和大小的變化範圍很大，但平均雪花盤旋度的分佈符合單一的、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。但加勒特表示，這可能與湍流空氣如何促使雪花在形狀和大小上波動有關，而這反過來又會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）表示，還需要進一步研究來評估這種數學模式的普遍性。“我們將研究[這一結果]在我們不同條件下捕獲的雪花資料集中的適用性，”他補充說，這些條件包括不同的海拔高度和地面粗糙度。
如果這種模式確實具有普遍適用性，“那麼存在這種簡單性的事實表明，將會有一個簡單的解釋，”加勒特說。“我們只需要找到它。”