氣象界的“冰”“雪”奇緣

文/于鵬翔

冬天來了,你生活的城市有沒有下雪?你有沒有堆雪人打雪仗?最近,很多同學詢問關于雪的問題,比如雪為什么是六邊形的呀,雪花到底有多重啊,白色的雪真的干凈嗎……還有同學聯想到夏天的冰雹,問了一個很有意思的問題:雪花和冰雹都是冰,為什么一個在冬天一個在夏天呢?

冬天的雪

我們先來說說冬天為什么會有雪吧。說到這個話題,同學們的第一反應可能都是冬天天氣冷,天上落下的雨滴被凍結成了雪。可是你要真在冰箱里試一下,就會發現無論多小的水滴遇冷也只能凍結成冰珠,并不會變成雪花。那么冬天漫天飛舞的雪花到底是從哪里來的呢?首先大家先來回憶一下,我們之前講過空氣中存在著我們看不到但又無處不在的水汽。這些水汽來自江河湖海的蒸發,也來自植物的蒸騰,而雪花正是這些水汽和高空的低溫共同作用的產物。

在我們生活的對流層中,有一個現象:高度越高、氣溫越低。還記得前段時間四川航空一架飛機風擋玻璃破裂的事件嗎?機長后來說,玻璃破裂后駕駛室的溫度驟降,他握駕駛桿的手都凍僵了。這是因為風擋玻璃破裂時,飛機是在9 800米的高空,一般來說海拔每升高100米,氣溫會下降0.6℃,所以即使當時地面上是20℃的溫暖天氣,9 800米的高空中氣溫也僅有-40℃左右。所以,無論春夏秋冬,高空都是非常冷的,而這樣的低溫環境正好有利于雪花生成。此外,當高空中有足夠的水汽和凝結核(微小的灰塵、粉塵等)時,雪花誕生的條件就基本滿足了。在低于-5℃的低溫下,水汽會直接在凝結核上結成一個小冰晶,這種由氣體直接凝結成固體的現象叫作“凝華”。這個小冰晶最開始是一個小的六棱柱形狀,周圍的水汽會沿著這個六棱柱的六個邊繼續生長,逐漸呈現出雪花的形狀。小雪花在空中飄來飄去,與周圍的水汽不停地接觸、吸附,就像一只饞嘴的小貓這里吃一點兒、那里吃一點兒,最終吃成了一片大雪花!

雪在飄動的時候,周圍的溫度、濕度都在不停地變化,如果溫度變低,雪就會形成新的分支;如果溫度升高,小雪花的頂端會變得又細又長;當溫度變得更高時,小雪花的頂端會變寬。這樣一來,小雪花在空中飛舞時,不僅會越“吃”越“胖”,而且隨著溫度高高低低,它還會不斷改變形狀,形成我們熟悉的六邊形雪花狀。當空氣支撐不住胖胖的雪花時,它就會慢慢地下降到地面。而我們究竟能不能見到雪,那還要看近地面的溫度,如果近地面的溫度高,雪就會融化成雨;只有在近地面的溫度也低于0℃時,我們才會在地面上見到一片片雪花。

夏天的雪

說完了冬天的雪,我們再來說說夏天的雹吧。雹又叫冰雹,俗稱雹子。我們對冰雹最深刻的印象可能就是炎熱的夏天,突然陰云密布,不一會兒一場傾盆大雨從天而降,在大雨之中夾雜著冰雹,叮叮當當敲打著窗戶。要是你走在外面被小冰雹砸一下,還真有點兒疼。撿起來一看,其實冰雹就是一個實心的冰疙瘩。奇怪,炎炎夏日,這冰疙瘩是從哪里來的呢?我們剛剛說了,即使是夏天,萬米高空上的氣溫也很低,零下幾十攝氏度的低溫足夠形成冰疙瘩了。你可能會問,同樣發源于寒冷的高空,為什么這次形成的不是雪花而是冰雹呢?這個秘密就藏在地面,夏天,地面非常炎熱,會產生一股強大的上升氣流,上升氣流會把地面上的水汽帶到高空,形成一片巨大的、像山一樣的積雨云。積雨云最高的地方可以達到一萬米的高空。這朵云的頂部存在大量的冰晶、雪花,但它的下部卻充滿水汽,水汽在云里上升,越向上溫度越低,最后會形成一種叫作“過冷水”的東西,就是溫度低于0℃但又沒有結冰的水。這些過冷水與云層上部的冰晶、雪花碰撞,就會快速地附著在冰晶上,因為水汽非常充足,相遇的速度很快,冰晶沒有形成雪花,而是形成了霰(xiàn)——一種很小的冰珠。或者有時過冷水干脆自己直接由水凍結成冰珠,形成“凍滴”。無論是霰還是凍滴,都是小冰珠,這些冰珠形成之后就會下落,一邊落一邊融化。正常情況下,它們會直接落向地面,形成雨。但是我們剛剛說夏天經常有非常強大的上升氣流,上升的氣流像一雙大手把這些正在下降的冰珠又托了上去,回到高空的冰珠會與周圍的過冷水相遇再次凍結,這樣它的個頭兒就又大了一圈,然后下落,再被熱空氣托起來,再“長大”一次。就這樣上上下下幾次之后,一顆小冰珠就長大成了一個大冰雹。這下熱空氣再也托不住它了,它開始不顧一切沖向地面,增大了的體積也使得它不易融化,所以最終冰雹就以冰疙瘩的形狀一直落到了地面。同學們,這下你們明白為什么只有夏天才會下冰雹了吧?因為只有夏天那熱騰騰的上升氣流才能讓天上的冰珠反復地下降、上升,最終“折騰”成一個大冰球。

說完了冬天為什么下雪、夏天為什么下冰雹,我們最后再聊一些有意思的事情吧。我們都聽說過世界上沒有一模一樣的雪花,這句話到底有沒有道理呢?其實從雪的成因上看,這句話真的很有道理,因為雪在空中經過的不同路徑,決定了雪花的最終形態也是不同的。而不同的雪花幾乎不可能走完全一樣的路,就算它們走一樣的路,不同的時間空氣中的濕度和溫度也是不同的。自然界中產生的雪花不可能一模一樣,但在實驗室里,制造出兩片一模一樣的雪花可難不倒科學家。美國加州理工大學的物理學博士肯尼斯·利伯布萊切特就可以制造出完全一樣的雪花,方法很簡單,既然雪花生長是受大氣環境影響,只要在實驗室中設置固定的溫度、濕度和雪花的初始六邊形形態,最后長出來的雪花就都是一模一樣的了。

一片雪花最大可以長到約5毫米,但這并不是我們常說的“鵝毛大雪”。鵝毛大雪實際上不是一片雪,而是在下落的過程中很多片雪花相互疊加粘連形成的。而關于冰雹,大于老師只想提醒同學們,下冰雹的時候一定要在堅固的建筑物下躲避,因為冰雹可不像雪花,它可以長得很大,曾有記錄,最大的冰雹直徑可達10厘米以上,比我們的拳頭還要大,重量能夠達到776克,這樣的冰雹砸到頭上可是很危險的。

講了這么多,你終于弄明白冰雹和雪之間的淵源了吧!本月,圣誕節就要到了,悄悄告訴你們我的圣誕節愿望就是——下雪!下雪!下雪!你們有什么愿望呢?歡迎來信告訴我!同學們,我們明年見!