【科普閱讀】又下雪了,你觀察過雪花的形狀嗎?

2020-11-22 中國氣象局

　　今天小夥伴又觀賞到了雪花漫天飛舞的景象，當雪花從空中飄落時，你是否留意過它的形狀？對於雪花的形狀，古人也有描述「凡草木之花多五出，獨雪花六出」，意思就是：凡是草科、木科的花朵一般是五個花瓣，唯獨雪花有六瓣。如今人們也多認為雪花為六瓣狀，那麼實際情況是怎樣的呢？

　　雪花都是六瓣狀嗎？

　　要想知道雪花的形狀，我們不得不提歷史上第一位給雪花拍照的人Wilson Bentley，他在1865年出生於美國佛蒙特州農場，從小對雪花著迷，不到19歲就開始記錄深愛的雪花，終其一生拍過的雪花數量超過5000朵，且形狀未有任何重複，可以說是當之無愧的「雪花人」。

1902年Wilson Bentley拍攝的雪花形狀。來源維基百科

　　隨後，很多對雪花感興趣的科學家和攝影師都加入了拍攝雪花的隊伍，下面的動圖便是各個藝術家們拍攝的真實雪花，可以看到，雪花並非都是我們通常認為的六瓣狀。

攝影師鏡頭下千姿百態的雪花。

　　千姿百態的雪花是如何形成的？

　　雪花的形狀很大程度上取決於雲層中的溫度和溼度。要知道溫溼度如何影響雪花的形狀，就不得不提日本的一個物理學家中谷宇吉郎（Ukichiro Nakaya），他早在20世紀30年代就通過試驗室培育雪花發現了不同雪花形成的規律，並製作了雪花形態圖表。

資料來源http://www.snowcrystals.com.丁茜 製圖

　　從圖中可以看到在任何給定溫度和飽和水平條件下形成雪花的主要類型。最大的最上鏡的六瓣星狀雪花只生長在雲層溫度在-15℃左右的狹窄溫度範圍內，針葉和柱狀物雪花最常形成於-6℃左右的雲層中。當雲層溼度較高時，會長出更精緻的樹枝狀雪花晶體，溼度較低則易形成簡單的板狀或者柱狀晶體。

　　目前，儘管研究人員一直在研究預測雪花晶體形狀的理論方程，但我們仍然不知道形成特定形狀背後的精確變量。多年來，雪花晶體可以分類的種類數量一直在穩步增加，在20世紀30年代的早期研究中，它們被分為21個不同的基於形狀的類別；在20世紀50年代，這個類別擴大到42個類別，在20世紀60年代擴大到80個類別，2013年擴大到驚人的121個類別。

　　下面我們看看不同雪花的生長過程吧。

 

視頻來源：http://www.snowcrystals.com

　　一片雪花究竟能有多大？

　　古人描述雪花大小的詩句也有很多，比如李白曾用「燕山雪花大如席」來形容燕山雪花之大，而白居易也在《雪夜喜李郎中見訪》中寫道「可憐今夜鵝毛雪，引得高情鶴氅人」，將雪花比作鵝毛，如今我們也常用「鵝毛大雪」來形容雪之大。

　　然而雪花真的有那麼大嗎？事實上，單個雪花本身是很小的。不要說「大如席」的雪花科學史上沒有記錄，就是「鵝毛大雪」，也並不那麼容易遇到。

　　一般情況下，我們能夠看到的單個雪花直徑一般在0.5~3毫米之間，這樣微小的雪花只有在極精確的分析天平上才能稱出其重量，大約3000～10000個雪花加在一起才有一克重。科學家曾做了個粗略統計，一立方米的雪裡面約有60～80億顆雪花，大約相當於世界總人口的數量（2017年底，世界總人口大約為75億左右）。

雪花重量示意圖。丁茜 製圖

　　有研究表明，雪花晶體的大小取決於水汽凝華結晶時的溫度狀況。當氣溫為-36℃時，雪晶的平均面積是0.017平方毫米；當氣溫為-24℃時，平均面積是0.034平方毫米；氣溫為-18℃時，平均面積是0.084平方毫米，-6℃時，為0.256平方毫米，氣溫在-3℃時，雪晶的平均面積增大到0.811平方毫米。

　　因此在非常嚴寒時形成的雪花晶體很小，幾乎看不見，只有在陽光下閃爍時，人們才能發現它們象金剛石粉末似地存在著。一般氣溫越高，雪花晶體會相對大些。

　　通常我們看到的「鵝毛大雪」其實並不是一顆雪花，而是由許多雪花粘連在一起而形成的。這種情形一般發生在溫度相對較高的情況下，此時的雪花晶體很容易互相聯結起來，這種現象稱為雪花的併合。尤其當氣溫接近0℃，空氣比鉸潮溼的時候，雪花在下落過程中的併合能力特別大，往住成百上千朵雪花合成一片「鵝毛大雪」。因此，嚴格地說，「鵝毛大雪」並不能稱為雪花，它僅僅是許多雪花的聚合體而已。

　　參考資料：

　　http://www.snowcrystals.com/

　　https://www.compoundchem.com/2014/12/10/snowflakes/

　　https://en.wikipedia.org/wiki/Wilson_Bentley

　　https://www.huffingtonpost.com/2013/12/03/alexey-kljatov_n_4373888.html?ec_carp=3900621579817231442

　　http://www.kepu.net.cn/gb/earth/icesnow/snow/snw108.html

　　https://vermonthistory.org/explorer/people-places/whos-who/famous-vermonters/wilson-snowflake-bentley

（本文為中國氣象報記者王美麗編輯整理 責任編輯：劉傑）

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