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  • 這么多雪花,竟然找不出兩片一樣的?
    發布時間:2022-01-25
    出品:科普中國
    制作:李瑱 中國科學院大學長春光學精密機械與物理研究所
    監制:中國科學院計算機網絡信息中心

      又到了全國各地約好了下雪的季節,你那里下雪了嗎?

      雪花紛紛揚揚落下,讓人不禁想起了南北朝時期劉義慶先生的《詠雪》,“白雪紛紛何所似”。自古人們就喜歡用美好的詞匯來比喻雪,雪花像鹽巴、像白糖、像鵝毛......

      

      圖片來源:veer圖庫

      如果你專門留意過,會發現大部分雪花都是六瓣狀。雪花都是六瓣的嗎?雪落下的時候,為什么會形成這個形狀?有兩片相同的雪花嗎?這就要從雪花的形成過程說起。

    雪花的形成:冰晶主軸與輔軸的“賽跑”

      早在西漢時期就有人總結道:“凡草木花多五出,雪花獨六出”。而現在,借助于先進的攝影技術我們能夠觀察到,雪花的形狀各異,但大部分都是六瓣狀。

      

      圖片來源:veer圖庫

      雪花的本質是冰晶,冰晶是水汽在冰核上凝華增長而形成的固態水合物,是雪花形成時的必要介質,可以看作是幼年期的雪花。隨著冰晶的長大,多姿多樣的雪花也就形成了。

      諺語里面有句“下雪不冷化雪冷”,說的就是空氣中的水分遇冷放熱凝結成冰晶,而雪融化的時候會吸熱變成水,所以會使下雪的時候氣溫高于化雪的時候。

      雪花不會自己憑空產生,它必須依托同溫層以下空氣中一顆顆肉眼看不到的微塵粒子做“晶核”。晶核是以一些塵埃為中心,與氣態水分子一起在較低的溫度下形成的一個物質集團,就像磁石一樣,能夠不斷吸附周圍的氣態的水分子過來,讓水分子圍著它一層又一層地凝結、不斷生長變大為固態,完成相變。

      晶核生長的形狀有兩種趨勢:一種是長而細的六棱柱形柱晶,有時它也會兩頭尖尖,有如一根針,我們稱其為“針晶”;另一種是很薄的,就像用小刀切下來的薄皮狀鉛筆屑一樣的六邊形片晶。

      

      冰晶雪花(圖片來源:veer圖庫)

      為何晶核會朝著兩種不同的方向生長呢?這就要追溯到冰晶的結構。冰晶和其他一切晶體一樣,其最基本的性質就是具有規則的幾何外形,為了便于確定晶面各晶棱在晶體上的位置,我們人為地按照一定規則選擇一個坐標軸,并稱之為晶軸。在晶體中有一種叫做六方晶系,它有四根晶軸,即一根豎直軸和三根水平軸。

      和我們在博物館見到的水晶類似,冰晶也屬于六方晶系,同樣具有四個結晶軸,分為三個輔晶軸和一個主晶軸,其中三個輔晶軸互相以60°的角度相交形成一個基面上,主軸垂直于此基面。下面這張圖可以幫助大家理解冰晶的結構:

      

      冰晶的晶軸(圖片來源:維基百科)

      當水汽凝結成冰晶時,而且當主軸比輔軸凝結得快,發育得很長的時候,冰晶就形成柱狀;相反,如果主軸比輔軸凝結得慢,那么冰晶就呈現片狀。常見的雪花大部分是六角形,就是冰晶沿主軸生長速度比其他三個輔軸生長速度慢得多而導致的。

    冰晶主軸的凝結,受這些因素的影響

      在了解冰晶的生長機制后,我們再看看影響雪花主軸生長速度的因素。雪花主軸生長主要受溫度和濕度的影響。

      首先,溫度會影響冰晶的凝結速度。溫度特別低的時候,冰晶沒有生長的機會,就會形成很小的雪晶,單個冰晶甚至很難被肉眼直接觀察。在零下30℃時,冰晶會凝結成針狀,而接近0℃時,雪花的基面大多會生長為六邊形。

      其次,濕度也會對凝結速度產生影響。濕度主要由云層中的水汽含量決定,如果空氣濕度比較低,那么冰晶生長得就會很慢,大多會形成柱晶、針晶和片晶三種基本形狀,例如片狀、粉末狀雪花;而當空氣濕度較高的時候,冰晶在生長的時候就會發生形狀的變化,比如形成我們熟悉的星形雪花。

      這樣我們就可以梳理一下雪花的形成過程了。前文已經提到,冰晶是由空氣中的水汽凝結形成的,在冰晶生長的時候,會消耗周圍的水汽,導致冰晶周圍的水汽濃度下降。水汽向冰晶所在處擴散,新的水汽首先遇到冰晶的突出和角棱部分并在此凝結,使冰晶得到增長,并使突出部分逐漸成長為枝杈狀。之后,因為相同的原因在枝杈和角棱處長出新的枝杈和角棱,逐漸形成我們熟悉的星狀雪花。

      

      片晶衍生的雪花(圖片來源:veer圖庫)

      

      柱晶衍生的雪花(圖片來源:veer圖庫)

      在上述理論支撐下,星狀雪花的相對部位應當是對稱的,形狀、大小應該是相同的。但在大氣中,雪花不會向上述那樣有序地生長,而會受到氣流、空氣成分等的影響,形狀也不會那么規則。

      此外,冰晶在形成過程中是在不斷運動的,所處的溫度和濕度不斷變化,會從適宜于形成這種形狀的環境降到適宜于形成另一種形狀的環境。比如雪花各個部位接觸到的水汽有所不同,接觸水汽多的地方生長得快、少的地方生長得慢,于是便形成了各種不同的雪花形狀。

      此外,科學家通過實驗表明,在只有水蒸氣的真空空間里形成的冰晶幾乎都是單三棱柱體,這表明空氣中的其他氣體也會影響雪花的形成。

      

      圖片來源:http://www.snowcrystals.com

    “鵝毛大雪”,原來是這樣形成的

      單個雪花的形狀就已經是多種多樣的了,而在雪花下降的過程中,各個雪花也有可能相互合并形成更大的雪花。這可能是因為碰撞摩擦生熱沾附在一起,可能是雪花上有水膜借由表面張力而沾合,也有可能是雪花自身形狀復雜有枝杈,相互“手拉手”形成的。

      從天上來到人間的路途很長,在條件適合時,雪花可以經多次攀連并合而變得很大,我們所說的“鵝毛大雪”、“柳絮因風起”就是經過多次并合而成的,人類曾觀測到的最大的雪花直徑有38厘米。當然,粘連的過程中也可能會導致部分雪花破碎,也就形成了一些畸形的雪花。不過有一點需要注意,雪花非常輕,五千朵到一萬朵雪花才有一克重,遠遠輕于鵝毛,所謂“鵝毛大雪”是一種略微夸張的說法。

    雪花可不是“美麗的廢物”,它的用處大著呢!

      我們的先輩們給了雪很多的美稱,諸如“玉龍”、“玉塵”、“銀栗”,表達了對雪之美的喜愛,也有“冬天麥蓋三層被,來年枕著饅頭睡”的農諺,描述了雪對農業發展的貢獻。雪花既能起到保溫作用,又能為農作物來年的生長提供水分,也難怪有“瑞雪兆豐年”的美譽。

      與此同時,雪花也帶給了科學家很多的啟發。一方面,雪花被稱為“來自天空的信使”,日本物理學家中谷宇吉郎博士就曾查明,千差萬別的雪的結晶形式取決于高空氣溫高低和水蒸氣的多少,可以推斷大氣的狀況。

      另一方面,雪花的本質是冰晶,而冰晶的脆弱和短暫性使它們成為了科學研究的一個挑戰性對象。早在17世紀,德國科學家和博學大師約翰尼斯·開普勒就開始思考雪花的結構,而后來者也在不斷探究冰晶形狀的影響原因,推動了原子物理學的不斷發展。

      時至今日,仍有專門的研究人群致力于冰晶生長的本質。我們雖不完全明晰冰晶生長的干擾因素,但相關方面的探索在凝聚態物理方面有了一定的突破,并對藥物分子、半導體芯片、太陽能電池以及無數其他涉及到了高質量晶體的生長過程應用起到了積極作用。

      

      雪晶的生長模型(圖片來源:維基百科)

      紛紛揚揚的雪花像一群精靈一樣,既給人間增添別樣的風采,也蘊含著大自然的奧妙,等待著我們去探索。

    參考文獻:

      [1]羅曼.雪花:讓冬天變得更有趣[J].科學大眾(小學版),2019(Z1):2-7.

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