藏王的樹冰，為什麼會朝著迎風面生長？
― 零下的雲滴，一撞上去就會凍結
隆冬山上成群矗立的「雪怪」，可不只是雪堆起來而已。那是零下仍不結冰、四處飄浮的雲滴，一撞上樹木就凍住，再一點一點朝著風來的方向長出來的冰。
冬天的藏王或八甲田，纜車窗外出現了一群白色的怪物。很多人應該在照片或電視上看過。
走近一看，樹枝只有單側排著像蝦尾一樣鋸齒狀的冰，另一側幾乎什麼也沒有。
雪是從上面落下來的，照理應該積在上面才對。可是冰卻是橫著長，而且只朝固定的方向伸出去。到底發生了什麼事呢？
原因只有兩個
籠罩山頭的雲霧水滴，即使低於零下10℃，有時也不會結冰，繼續飄浮著。這種水滴一撞上東西，就會立刻凍結。
水滴是被風吹來的，所以只會撞到風來的那一側。而且越細越尖的地方越能捕捉水滴，因此冰會不斷朝迎風方向長出去。
也就是說，樹冰不是「堆積」出來的，而是樹木正面接住風送來的水滴，並把它們「黏住」而成。我們一步一步來看。
明明是零下，雲滴為什麼不結冰？
我們學過水在0℃會結冰。不過，那是水裡有「變成冰的契機」時才成立。雲滴非常小，直徑據說只有0.01〜0.02毫米左右。
水滴越小，裡面剛好有可當冰核的微塵的機率就越低。因此，即使在零下10℃或零下20℃，還是有很多水滴能維持液態飄在空中。這叫做過冷（水在凝固點以下仍保持液態）。
過冷的水滴只要受到一點刺激就會瞬間凍結。用力撞上樹葉或樹枝，正是那個刺激。撞上去的水滴當場凍住，下一顆水滴又凍在它上面。
這時，水滴與水滴之間會留下小小的縫隙。所以樹冰不是透明的，而是含著空氣的白色冰。冬天從日本海吹來的西北季風，會從海上帶來大量水氣，因此山上的這些水滴會源源不絕地吹來。
請看圖1。冰只附著在樹枝的迎風側，朝著風的方向生長。風越強，每小時吹來的水滴就越多，冰也長得越快。
為什麼冰會朝迎風面「不斷生長」？
隨風飄來的水滴，在物體前方會和空氣一起轉向，想從旁邊繞過去。可是水滴有重量，沒辦法急轉彎。只有轉不過去的水滴，才會撞上物體表面。
這裡的關鍵是物體的粗細。在粗樹幹前，空氣從很遠的地方就開始緩緩轉彎。小水滴跟得上這股氣流，大多會繞過樹幹。
在細葉或小枝前，空氣到了眼前才突然轉彎。水滴跟不上，就會直直撞上去。也就是說，越細的東西越能捕捉水滴（圖2）。
由此就能看出樹冰不斷朝迎風面生長的機制。附著上去的冰，尖端本身就是「又細又尖的突起」。因此下一顆水滴也會先撞上尖端，冰就越來越往迎風面突出去。
在每根樹枝上形成的蝦尾狀冰上，接著又有落下的雪卡在上面。冰與雪交替層層堆疊，樹木就變成高達數公尺的白色大塊。這就是「雪怪」的真面目。
要形成大型樹冰，必須同時具備：帶來過冷水滴的強勁季風、適量的降雪，以及葉片細小、容易接住雪的針葉樹（例如大白檜）。在日本，據說只限於藏王、八甲田、八幡平等東北部分山區。
蝦尾所指的方向，就是那個冬天最常吹來的風的方向。據說在冬季山區行走的人，遇到起霧看不清楚時，也會拿它當作辨別方向的線索。
總結
樹冰是零下仍不結冰、四處飄浮的雲滴，在撞上樹木的瞬間凍結而成。水滴是隨風飛來的，所以只會打在迎風面。而且越細越尖的地方越能捕捉水滴，附著的冰的尖端又會收集更多水滴，於是冰不斷朝著風的方向長出去。
樹冰不是雪堆起來的。
那是樹木正面接住風送來的「想結冰的水」所留下的痕跡。
關於低於0℃也不結冰的水的機制，請看「明明學過水在0℃會結冰，為什麼有的水到零下20℃還不結冰？」；冬天冰從地面長出來的另一種現象，請看「霜柱為什麼會從土裡長出來？」。
- 在起霧的寒冷早晨，觀察圍籬的鐵絲網、細樹枝，或電線旁的草。找找看有沒有附著白色的冰粒。
- 如果有冰，確認它多出現在哪一側。再用手機的方位 App，把那個方向記錄下來。
- 在同一個地方，比較細鐵絲和粗柱子。看看是不是越細的東西，附著的冰越多。
即使在平地，在氣溫驟降的起霧早晨，有時也能看到小小的霧凇。請注意腳下，別在結冰的路上滑倒。
想知道更多 ― 名詞・算式・與課本的關聯明確標示從國中自然到大學專業課程，各屬於哪個程度
- 國中國中自然科會學到的範圍
- 高中高中「地球科學」「物理」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄級的內容
- 大學高中不會學、屬於大學專業課程（雲物理學・流體力學）的內容
- 研究連大學也不會當作定論來教、研究者目前正在探究的話題
國中名詞：這個現象有名字
- 過冷：溫度低於0℃，卻因為沒有結冰的契機而仍維持液態的狀態。
- 霧凇：在零下，霧或雲的水滴撞上樹木等物體後凍結附著的冰。樹冰是其中的代表。
- 著冰：過冷水滴在樹木、電線、建築物等表面凍結附著的現象總稱。
國中高中用算式確認：樹冰每小時能長多少？
先算出風每秒送到樹枝上的水量，再估算這些水變成冰後有幾公分厚。所有數值都只是概估，實際的生長情形會隨天氣大幅改變。
| 用符號寫 | （生長速度）＝ E × w × v ÷ ρ |
| 用文字寫 | 每秒長出的厚度 ＝ 捕捉比例 × 每立方公尺空氣中的水量 × 風速 ÷ 樹冰的密度 |
| 這個算式的由來 | 風送到表面的水的重量（水量 × 風速）中，被捕捉到的部分全部變成冰，這是質量守恆。重量除以密度就是體積，也就是厚度 |
| 符號 | 意義與單位 |
| w（雲中水量） | 每立方公尺空氣 0.3 g（山上的霧大約是0.1〜0.5 g） |
| v（風速） | 每秒 10 m |
| E（捕捉比例） | 0.5（細葉或小枝的概估值。粗樹幹小得多） |
| ρ（樹冰的密度） | 每立方公尺 400000 g（因含有空氣，據說不到一般冰的一半） |
| 每秒送到1平方公尺的水（g） | 0.3 × 10 ＝ 3 |
| 其中被捕捉的量（g） | 3 × 0.5 ＝ 1.5 |
| 1小時（3600秒）累積的量（g） | 1.5 × 3600 ＝ 5400 |
| 換算成冰的厚度（m） | 5400 ÷ 400000 ＝ 0.0135 |
| 換算成公分（cm） | 0.0135 × 100 ＝ 1.35 |
| 1天（24小時）長出的長度（cm） | 1.35 × 24 ＝ 32.4 |
算出來是每小時約1.4公分，一天超過30公分。也就是說，一個晚上就會有比手掌還寬的冰朝迎風面長出去。從算式可以看出，生長速度與風速成正比。圖1的滑桿直接用了這個算式。
高中高中＋為什麼水滴不結冰，又為什麼會變白
高中水要結冰，必須先形成冰的小「芽」。越小的水滴，越不容易含有成為芽的微塵（冰晶核），也就越容易維持過冷。另外，凝固時放出的熱（凝固熱）會很快散到周圍的冷空氣中，所以撞上去的水滴會在一瞬間凍結。
高中＋水滴一顆顆瞬間凍結後，會保持著水滴的形狀堆疊起來，縫隙中封住了空氣。這就是白色、輕盈的樹冰（霧凇）。如果氣溫接近0℃、水滴又大，水滴來不及凍結就先攤開再凍，會變成透明又重的冰。這種冰附著在電線等處時，有時會因重量造成災害。
大學捕捉水滴的效率與斯托克斯數
水滴能不能順著氣流轉彎，在流體力學中用斯托克斯數來表示。它是「水滴改變方向所需的時間」與「氣流在障礙物前轉彎的時間」之比。斯托克斯數遠大於1時，水滴會直直前進並撞上去；很小時，則會隨氣流繞開。
障礙物的粗細在分母裡，所以越細，斯托克斯數越大。以直徑0.02毫米的水滴和每秒10公尺的風來估算，粗1毫米的針葉遠大於1，粗30公分的樹幹則據說約0.05。雲物理學把這個被捕捉的比例稱為捕捉效率（碰撞效率），飛機和輸電線的著冰預測也用同樣的想法。
📖 算式的推導與更進階的內容：維基百科「斯托克斯數」 ／ 維基百科「過冷」
研究目前還不清楚的事
- 樹冰會減少到什麼程度？ 在藏王，有報告指出，能看到樹冰的範圍比幾十年前縮小，能看到的高度也往上移。目前仍持續進行觀測，調查它與暖化的關係。
- 樹木本身減少的問題。 近年來，藏王作為基底的大白檜據說因蟲害而大量枯死。如何讓支撐樹冰的森林重生，成為一大課題。
- 雪與霧凇的組合方式。 落下的雪和吹來的過冷水滴，以什麼比例、怎樣堆疊，才會形成「怪物」的形狀？形狀如何決定，目前還無法詳細說明。
所以這篇文章的內容，也只是「就目前所知範圍內的說明」。水滴凍結的機制雖然確定，但樹冰這片景色今後會如何，仍在持續觀察中。
與課本的關聯（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文中的對應處 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然科「狀態變化」「氣象（季風）」 | 水變成冰、冬天的西北季風 |
| 高中 | 地球科學「大氣的結構・雲的形成」 | 過冷的雲滴、冰晶核 |
| 高中＋ | 物理「熱（凝固熱）」 | 白色霧凇與透明冰的差別 |
| 大學 | 流體力學・雲物理學 | 斯托克斯數、捕捉效率、著冰 |
| 研究 | 氣候變遷與山地生態系 | 樹冰分布的變化、森林重生 |
| ― | 與生活的關聯 | 冬山景色、風向的線索、電線著冰 |
- 維基百科「霧氷」（含樹冰）
- 小倉義光『一般気象学』（一般氣象學），東京大学出版会（東京大學出版會）
- H. R. Pruppacher, J. D. Klett, Microphysics of Clouds and Precipitation, Springer
- 気象庁（日本氣象廳）「予報用語」（霧氷・着氷的條目）
- 維基百科「斯托克斯數」
※本文是寫給一般讀者的科學解說。文中所列數值是為了理解機制的概估與粗略計算。前往冬季山區時，請遵循當地氣象資訊與設施的指示。