一片雪花的誕生

非木

從根本上來(lái)說(shuō)，下雪和下雨一樣，都是大氣的一種降水現(xiàn)象。然而，普普通通的雨滴為什么會(huì)變成千差萬(wàn)別的雪花？冬日的天空里，為什么不是單純落下冰凍的雨滴？

雪花的獨(dú)特之處

雪花的特殊之處在于，它們并不是凍結(jié)的雨滴，而是由云層中的水蒸氣凝結(jié)而成。形成雪花的云層，溫度需要低于冰點(diǎn)，并且水分必須達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，也就是說(shuō)，相對(duì)濕度要超過(guò) 100%，這時(shí)云層中多余的水分子才會(huì)凝結(jié)成晶體。

在結(jié)晶的過(guò)程中，還有一個(gè)不可或缺的成分——晶核。通常來(lái)說(shuō)，晶核是花粉、灰塵以及各種飄浮在空氣中的微小顆粒。當(dāng)一個(gè)個(gè)水分子附著在這些顆粒周圍，便一點(diǎn)點(diǎn)地生成了雪花的晶體。

一個(gè)水分子由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成。氧原子帶有負(fù)電荷，氫原子帶有正電荷。多個(gè)水分子在彼此靠近時(shí)，會(huì)因正負(fù)電荷的吸引力而旋轉(zhuǎn)配對(duì)，最終形成六邊形的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。水分子的這種結(jié)合方式，決定了大多數(shù)雪晶都呈現(xiàn)出六邊形結(jié)構(gòu)。

雪花的形成過(guò)程

開端

所有雪花都是從在空氣中飄浮的塵埃顆粒開始的。當(dāng)水分子凝結(jié)在塵埃顆粒表面，就形成了微小的冰晶。

形成

當(dāng)更多的水分子凝結(jié)，塵埃顆粒就長(zhǎng)成六邊形冰晶。根據(jù)條件的不同，不同的刻面以不同的速率生長(zhǎng)。

發(fā)展

在冰晶的拐角處，伸出了6個(gè)“手臂”。當(dāng)溫度繼續(xù)下降，雪花“手臂”的末端會(huì)進(jìn)一步變細(xì)、變窄。

飄落

當(dāng)雪花飄落時(shí)，周圍空氣的加熱和冷卻，都會(huì)讓它以不同的方式生長(zhǎng)和變化，形成不同的形狀。

智鏈接

凍雨、冰雹、霰，傻傻分不清

有時(shí)候，天空中真的會(huì)落下冰凍的雨滴，按照情形的不同，還可歸為不同的天氣現(xiàn)象。比如降落時(shí)是雨滴，落地后迅速結(jié)冰，就叫作“凍雨”。要是落地前已經(jīng)凝結(jié)成冰，體積小的叫“冰珠”，體積大的叫“冰雹”。如果降落的是水滴和雪花的混合物，那么當(dāng)水滴溫度高于零攝氏度時(shí)，叫作“霙（yīng）”；當(dāng)水滴溫度低于零攝氏度時(shí)，叫作“霰”。霰通常出現(xiàn)在高緯度地區(qū)，如我國(guó)的吉林、黑龍江等地，有時(shí)會(huì)形成優(yōu)美的霧凇。

千姿百態(tài)“六出花”

我國(guó)古人早就發(fā)現(xiàn)了雪花的六邊形特征，并以“六出”作為雪花的代稱。南北朝時(shí)，徐陵在《詠雪》詩(shī)中贊美：“三晨喜盈尺，六出儛崇花。”《太平御覽》引用《韓詩(shī)外傳》的語(yǔ)句：“凡草木花多五出，雪花獨(dú)六出。”

古人觀察到了雪花的美麗，卻不知道那六出的獨(dú)特造型從何而來(lái)。直到最近一百多年自然科學(xué)研究的突飛猛進(jìn)，才揭開了雪花的面紗。

威爾遜·本特利從 1885年開始拍攝的幾千幅顯微照片，讓人們認(rèn)識(shí)到雪花形態(tài)的千差萬(wàn)別。1912年X射線衍射技術(shù)的出現(xiàn)，揭示出冰雪的六邊形晶體結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，水分子的 V 形結(jié)構(gòu)和氫鍵的發(fā)現(xiàn)，加深了研究者們對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)的理解。

然而，研究者們?nèi)匀幻媾R著一個(gè)棘手的問(wèn)題：同樣都是六邊形的結(jié)構(gòu)，為什么每一片雪花的形態(tài)都不一樣呢？

云譎波詭生成路

20 世紀(jì) 30年代，日本物理學(xué)家中谷宇吉郎通過(guò)一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雪晶的形態(tài)與其形成過(guò)程中周圍環(huán)境的溫度和濕度密切相關(guān)。比如，在零下 2 攝氏度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)薄板狀晶體；到零下 5 攝氏度左右，細(xì)長(zhǎng)的針狀是主要形狀；降至零下 15 攝氏度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)又大又薄的板狀晶體；而到了零下25 攝氏度以下，則主要生成短柱狀晶體。他發(fā)現(xiàn)，在同等溫度條件下，濕度較低時(shí)，晶體生長(zhǎng)較慢，會(huì)出現(xiàn)簡(jiǎn)單的棱柱狀晶體；而當(dāng)濕度較大時(shí)，晶體生長(zhǎng)速度加快，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

設(shè)計(jì)雪花的形狀

樹突狀

最容易辨認(rèn)的雪晶，名字來(lái)自它樹枝狀的外觀。它很容易出現(xiàn)在你的衣袖上。生長(zhǎng)的氣溫嘛，相當(dāng)?shù)停蠹s在零下 15 攝氏度。

柱狀和針狀

細(xì)長(zhǎng)的柱子兩端有圓錐形的空心區(qū)域。大約在零下 6 攝氏度生成。

帶蓋柱狀

形狀有點(diǎn)像線軸。它先在約零下 6 攝氏度形成柱子，然后在約零下 15 攝氏度長(zhǎng)出末端的板。

蕨類樹突

形狀和樹突狀雪晶相似，但更大，“葉子”更多，而且有許多類似于蕨類植物分支的側(cè)枝。

金剛石板

它是最小的雪晶，基本的冰晶形狀是六棱柱。它在嚴(yán)寒的天氣里最常見(jiàn)。

三角形

它通常很小，形狀像截?cái)嗟娜切巍Ｓ袝r(shí)，6個(gè)角上還會(huì)發(fā)出“芽”來(lái)。

十二枝

如果兩顆小小的六枝雪晶在半空中相遇、碰撞，它們可能會(huì)粘在一起，變成十二枝雪花。

智鏈接

雪花形態(tài)的差別大到什么程度

單單從雪花的外形分類來(lái)看，就能窺見(jiàn)一斑。研究者們對(duì)于雪花的分類，最早是 41 種，隨著時(shí)間的推移，逐漸增加到 60 種、70 種，最多時(shí)達(dá)到108種。21 世紀(jì)初，物理學(xué)家肯尼思·利布萊希特將雪花的分類精簡(jiǎn)到 35 種，并獲得了廣泛的認(rèn)可。

在這 35 個(gè)類型中，絕大部分雪花的形態(tài)都是在六邊形的基礎(chǔ)上發(fā)展變化。即便是柱形雪花，也多是以六邊形為基礎(chǔ)的六角棱柱。

這些關(guān)于雪花的冷知識(shí)，你知道嗎

世界上最小的雪花

最小的雪花，其晶體大小不超過(guò)人類頭發(fā)絲的直徑。它們又小又輕，通常懸浮在空氣中，在陽(yáng)光下像是閃閃發(fā)光的灰塵。因此，它們有一個(gè)美麗的名字——鉆石塵。

鉆石塵常見(jiàn)于極度寒冷的環(huán)境中，比如南極洲。

世界上最大的雪花

據(jù)吉尼斯世界紀(jì)錄，最大的雪花發(fā)現(xiàn)于1887年1月28 日，地點(diǎn)是美國(guó)蒙大拿州的基奧堡。經(jīng)測(cè)量，它有 38厘米寬、20 厘米厚。

有研究者認(rèn)為，它可能是許多雪花的聚合體。而通常意義上的單晶體雪花，觀測(cè)到的最大寬度約為 10 厘米（從一個(gè)尖端到另一個(gè)尖端的尺寸）。

雪花的下落速度

雪花下落的速度在每秒0.3 米至 1.8 米之間。相比之下，雨滴的平均下落速度約為每秒 9.8 米。雪花墜落得如此之慢，其主要原因是自身重量較輕，而表面積較大。此外，雪花常常會(huì)被卷入上升氣流，因此，它們的墜落過(guò)程就更顯得紛紛揚(yáng)揚(yáng)、飄忽不定。

雪花是透明的

如果擷取一片雪花，放到顯微鏡下觀察，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它其實(shí)是透明的。

然而，雪看上去卻是白色的。那是因?yàn)楣饩€經(jīng)過(guò)了微小冰晶的多重反射，光譜中的每一種顏色都被均勻地分散出來(lái)。當(dāng)傳入人們的眼睛時(shí)，各種顏色的光又混合在一起，于是呈現(xiàn)出白色。

想象一下那水汽升騰、云譎波詭的云層，可以說(shuō)，在每一個(gè)分子的位置上，溫度和濕度都不盡相同。不計(jì)其數(shù)的水分子和微小晶核，又時(shí)時(shí)刻刻隨風(fēng)飄蕩、四處翻飛，于是，溫度和濕度的變化就會(huì)更加劇烈，而在晶體上，水分子積聚的位置就更加不可預(yù)測(cè)。沒(méi)有任何兩片雪花會(huì)在空中飄過(guò)同樣的路線，也沒(méi)有任何兩片雪花會(huì)生成完全一樣的形態(tài)。

理解了雪花的形成機(jī)制，科學(xué)家很快就在實(shí)驗(yàn)室中造出了世界上第一片人造雪花。

今天，科學(xué)家們已經(jīng)可以輕松地在儀器上設(shè)定溫度、濕度等參數(shù)，來(lái)制造某種特定形態(tài)的雪花，甚至還可以在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)據(jù)模型，來(lái)生成模擬雪花。而這一切，正與前代科學(xué)家們的研究一脈相承。