威廉·韦尔金并非一开始就想成为雪的“国王”。他一直认为自己更像是一名植物学家和线虫专家，研究寄生性土壤蠕虫如何与农作物相互作用。然后，在 1993 年 12 月，他和美国农业部马里兰州贝尔茨维尔电子显微镜部门的同事埃里克·埃尔贝开始使用一种新配置的低温扫描电子显微镜进行实验。
这种定制设备将样品冷藏至零下 196 摄氏度（-320 华氏度），从而可以快速冷冻线虫或昆虫，然后对其进行巨大放大，以在某一特定时刻观察它们的行为。韦尔金和埃尔贝当时无法获得合适的农业样品，于是决定将他们的新玩具用于研究当时正在下落的雪花。
“我们没有什么别的可成像的了，”韦尔金说。两位研究人员在铜板上收集了雪花，并将这些晶体带到显微镜下。当时在美国农业部工作、现在在新墨西哥州拉斯克鲁塞斯约翰达实验牧场的同事阿尔·兰戈来到实验室，对结果惊叹不已。“我见过很多雪晶图像，但我从未以这种方式见过晶体，”他说。
他意识到，这些图像可以帮助更好地理解冬季的积雪。随着时间的推移，其他研究人员也纷纷前来，恳请他们协助研究，从冰川结构研究到火星上的二氧化碳霜模型。韦尔金发现自己花了越来越多的业余时间来学习雪的复杂性。2000 年底，他从美国农业部退休，但仍然将时间分配在他原来的工作和这个冰冷的副业之间。
自首次瞥见低温扫描电子显微镜的强大功能以来，埃尔贝已经开发出了收集和保存雪晶的程序。流程如下：准备一些铜样品板，每块的大小约等于一枚便士。在表面涂上一层粘合剂，如组织固定剂 (Tissue-Tek)，这是生物学家用来将细胞固定在显微镜载玻片上的粘性物质，然后将载玻片冷冻。让雪花落在载玻片上，或者将其刮到载玻片上，然后迅速将其浸入装有液氮的泡沫塑料托盘中。将样品放入黄铜储存管中，然后放入贝尔茨维尔实验室的保温容器中，那里的低温容器可以使晶体保持完整十年甚至更长时间。最后，用一层不到百万分之一英寸厚的铂金对晶体进行处理，这可以澄清和增强显微镜产生的图像。
韦尔金和埃尔贝已经对成千上万片雪晶进行了成像，这些雪晶的来源近至他们贝尔茨维尔实验室外的停车场，远至阿拉斯加。接下来的几页将展示这些令人惊叹的形状，包括葡萄状团块、六边形冰板、破碎的冰柱和布满麻点的星星。所有这些都展现了水的奇妙复杂的、多变的本质。
冰霜的对称性
晶体的形状与其形成的环境一样多种多样。在两个温度范围内（27°F 至 32°F 和 -13°F 至 18°F）形成的晶体呈六边形冰板状。接近 32°F 的空气会形成柱状和针状晶体。熟悉的六臂雪花晶体，学名为枝晶，在 3°F 至 10°F 的富含水汽的空气中生长。此类晶体的详细视图阐明了大气条件与它们产生的雪晶之间的关系。极高的放大倍数（远超本文所示）可以揭示晶体中捕获的空气中的颗粒，这可能为研究酸雪和空气污染提供新的途径。
尽管六臂晶体声名在外，但它只是几十种已识别的晶体形态中的一种。它之所以成为雪的典型形象，很大程度上归功于威尔逊·本特利（Wilson Bentley）的工作。他是一位佛蒙特州农民，在 1885 年至 1931 年的冬季，他一直待在自家房子外，通过显微镜拍摄雪花。由于这种技术的低分辨率以及本特利的美学偏好，他主要拍摄大而对称的星形雪花——那些现在被无限复制在贺卡和报纸广告中的雪花。六重对称性反映了水分子在结冰时如何连接成六边形晶格，这种分子模式被放大到了宏观尺度。
瑕疵
变形的雪花包含了从形成到着陆点之间天气状况的微观历史。韦尔金和埃尔贝利用他们的低温扫描电子显微镜，推断出当下降的冰晶在途中遇到过冷水滴雾时会发生什么，这种情况很常见。
一些水滴会附着在下降的晶体上并冻结在那里，就像扁平的小疙瘩，直径只有千分之一英寸。起初，局部的气流会导致这些附着物粘在晶体的后方，因为它们穿过水滴云。如果晶体只受到适度的覆盖——以至于它们仍然可以被识别为针状、柱状、板状或枝晶状——那么冰晶及其团块状附着物的组合就被称为霰（rime）。
在穿过大气层的过程中，冰晶的一侧通常会比另一侧更厚、更易被霰覆盖。那一侧可能会比干净的一侧更长。覆盖层改变了晶体的空气动力学，导致它翻转。在新的后缘会进一步发生霰化，导致更厚的覆盖层和更长的地形。如果晶体在下降过程中遇到更多水滴，霰化可能会持续到整个晶体被冰甲覆盖。这些重塑后的颗粒呈苔藓状，被称为粒雪（graupel）。
变质
变质的晶体源于雪花着陆后发生的变化。温度、压力、气流和阳光的波动会重新雕刻晶体、使其分解或重构成完全不同的形状。在几天到几个月的时间里，新鲜雪晶的六边形几何形状可能会反复变形、部分融化、重新结冰并与其他附近的晶体融合，从而形成微小的冰花。更极端的气候效应会产生类似于葡萄簇的形状。一种变质作用特别值得关注，因为它可能产生导致雪崩发生的条件。
当雪晶层下方的温度远高于上方温度时，积雪下层的冰晶会升华——也就是说，直接蒸发而不是融化——然后重新冻结在上面的晶体上。随着时间的推移，这种质量的重新分布会导致形成大而块状的晶体，称为深雪（depth hoar）。一层深雪往往会使积雪不稳定。滑雪场的安全管理人员在例行检查中挖掘的雪坑中发现此类层状结构时，会发出警告，关闭易受影响的区域，有时还会向积雪发射迫击炮，以在雪崩发生前诱发雪崩，以免有人措手不及。
深雪晶体的复杂内部结构也给美国农业部研究员阿尔·兰戈（Al Rango）这样的研究人员带来了麻烦。兰戈使用微波传感卫星来测量冬季积雪中储存的水量。晶体内部的微小通道非常善于散射微波，从而欺骗卫星传感系统，使其将六英寸的雪读成六英尺的雪。深雪的低温电子显微镜图像正有助于建立更好的模型，将原始卫星读数转换为对降雪量的准确测量。
珍品画廊
在韦尔金和埃尔贝过去十年检查的数千片雪花中，有许多不同寻常的样本，不属于任何标准分类。通常，这些奇特的形状源于冰与生物之间奇特的相互作用。
冰虫：冰川表面由不规则形状的冰粒组成，这些冰粒由冰颈连接在一起。细长的冰虫常常栖息在冰粒之间的缝隙中。埃尔贝记得他在华盛顿州南卡斯卡德冰川上花了整整一天寻找这些冰虫。终于，到了下班时间，他注意到他躺着的保温垫上有小的黑色移动线条。“它们被热量吸引，”他说。这种四分之一英寸长的蠕虫是他发现的典型样本。
霜：在一个温度降至霜点以下的夜晚，西弗吉尼亚州博登山的这片草叶成为了冰晶成核和生长的有机基质。结果是一簇密集排列的针状晶体。
红雪：当雪反复部分融化然后重新结冰时，就为一种带有红色色素的藻类——雪生团藻（Chlamydomonas nivalis）——提供了生存环境，它们寄生在雪粒周围的薄水膜中。这片在科罗拉多州洛夫兰山口采集的夏季积雪样本，呈断裂且奇怪的侵蚀状，包含几个球形藻类细胞，其中有两个已被分开。
红色星球的雪：为了探索未来火星探测器可能遇到的条件，韦尔金、埃尔贝以及一群 NASA 研究人员制造了模拟的火星雪。他们使二氧化碳气体凝结在冷却到类似火星温度（-240°F）的样品板上。低温扫描电子显微镜的图像显示，由此产生的二氧化碳霜主要由八面体晶体组成，这与水冰晶体非常不同。“这些晶体被认为与火星季节性极冠上的晶体相似，”韦尔金说。那里的雪包含水和二氧化碳晶体的混合物。此类研究将有助于研究人员更好地模拟火星的气候循环。
