到底是什麼原因導致雪花形狀的不同?

2020-12-21 小派愛科學

答|百度派 @人美性子野

雪花是怎麼形成的?雪花是空中的水蒸汽遇冷凝結成的.在一般情況下,水蒸汽先凝成水,然後才能結冰.雪花卻是直接由水蒸汽凝結成的.雪花是什麼顏色?看起來,雪花是白的.實際上,雪是冰的晶體,冰晶是無色透明的.

可是它的每一面都象一個小鏡子,反射光線的能力非常強,就顯示出了白顏色.雪花有多大?雪花最大的直徑還超過2毫米.我們常見的鵝毛大雪,那種雪片似在降落過程中,許多雪花粘結在一塊形成的.雪花有多重?雪花非常輕,五千朵到一萬朵雪花才有一克重.一立方米新雪有六十億朵到八十億朵雪花.雪花是什麼形狀?雪花的形狀千差萬別,每一朵雪花都是一件精緻的藝術品.到現在,已經知道雪花有兩萬種不同的圖案.不過它基本上是六角形的.（）漂亮的雪花是怎樣形成的?顯微鏡下的雪花真漂亮,你知道雪花是怎麼形成的嗎?上世紀初,對冰雪做過專項研究的日本物理學家中谷宇吉郎博士曾把雪比做「來自天空的信使」,並查明千差萬別的雪的結晶形式取決於高空氣溫高低和水蒸氣的多少.

如今,北海道大學低溫研究所的古川義純副教授作為中谷博士的後繼者,在雪的結晶形狀方面正在深入開展研究.雪花不會自己憑空產生,它必須依託同溫層以下空氣中一顆顆肉眼看不到的微塵粒子做晶核,水蒸氣的水分子在冷空氣作用下圍著它一層又一層地凝結,晶核就從中央向外長大.形成一顆雪晶體大約要用5分鐘時間,在這段時間裡,造雪環境中的氣流始終升降浮沉,動蕩不定,但水蒸氣必須保持等量作用於晶核的周邊.空中雲層的厚度、溼度、溫度對雪花的形態有極大的影響,星形雪花的形成要求較大的溼度,而溼度較小的雲層易於形成片狀、粉末狀雪花.其實雪花的個體是極其微小的,直徑在0.5-3mm之間,5000顆雪花放在精密天平上才不過1克,在顯微鏡下觀察非常美麗.普通水的水質取決於重水含量,含量高水質差,相反水質較好,通常情況下7千克水含有1克重水,而7千克雪水只含0.25克重水,可見雪水生化性能要好得多.雪水豐足,開春麥田就長得好.春耕浸泡種子時,重水比例大發芽率低,如果用雪水浸溼種子就如魚得水了.雲層是雪花孕育的地方,雪花產生於雲層中的這些小晶核,晶核生長的形狀有三種趨勢：長而細的六稜柱形晶柱、兩頭尖尖有如一根針的晶針和很薄的六邊形晶片.如果它們周圍的水氣濃度較低,冰晶的增長就很慢,而且各邊均勻增長；如果周圍水氣濃度較大,那麼增長過程中不僅體積會增大,形狀也會改變,最常見的就是天空中飄落的六邊形雪花.為什麼都傾向於六邊形呢?原來冰晶增長時要消耗附近的水氣,所以,越靠近冰晶的地方水氣越稀薄,稍遠處的水氣自然過來補充,它們首先遇到的就是正在向前伸展的尖角,於是,各個尖角迅速加長,逐漸成為樹枝狀.同樣原因,這些「樹枝」上又長出新小枝杈,周而復始就形成了我們所見到的六邊形雪花.形成雪花之前的冰晶受周圍環境的影響,位於底面上的正六邊形和側面長方體的晶體生長速度出現差異,形狀也相應發生變化,比如氣溫會給結晶的表面帶來微妙變化,接近0°C度時底面水平擴展成六邊形,-5°C時形成針狀,降到-5~-10°C時側面上開始生成正六稜柱體及側面鏤空的六稜柱體,-15°C時形成樹枝狀,在降至-10~-21°C時,正六邊形又開始擴展,繼而再生成六稜柱體.周圍水蒸氣含量較少時,生成過程也較慢,而且不易出現複雜形狀.相反,水蒸氣含量越大,生成速度越快形狀也越複雜.被人們稱做「雪花」的樹枝狀雪晶往往生成於-15°C左右、含有大量水蒸氣的環境中.儘管晶體的形成速度取決於溫度及水蒸氣濃度,但空氣中的其他氣體也會影響它的形成.實驗表明,在只有水蒸氣的真空空間裡形成的冰晶幾乎都有單三稜柱體,而在天空中形成的晶體則呈現針狀和六稜柱形狀.經過計算機計算可以再現冰晶向六個方向延伸的形狀,而中途分*,呈現樹枝狀的原因卻始終無法解釋,如照片所示,美妙無比的點對稱的分枝方式,其產生機理,至今仍是一個難解之謎.早在公元前的西漢時代,《韓詩外傳》中就指出：「凡草木花多五出,雪花獨六出.」

雪的基本形狀是六角形.但在不同的環境下,卻可表現出各種樣的形態.世界上有不少雪花圖案收集者,他們收集了各種雪花圖案.有人花了畢生精力拍攝了成千上 萬張雪花照片,發現將近有六千種彼此不同的雪花,但他死前認為這不過是大自然落到他手中的少部分雪花而已.以致於有人說?]有兩朵大小和形狀完全相同的雪花.為什麼雪花的基本形態是六角形的片狀和柱狀呢?這和水汽凝華結晶時的晶體習性有關.水汽凝華結晶成的雪花和天然水凍結的冰都屬於六方晶系.我們在博物館裡很容易被那純潔透明的水晶所吸引.水晶和冰晶一樣,都是六方晶系,不過水晶是二氧化矽（SiO2）的結晶,冰晶是水（H2O）的結晶罷了.六方晶系具有四個結晶軸,其中三個輔軸在一個基面上,互相以60o的角度相交,第四軸(主晶軸)與三個輔軸所形成的基面垂直.六方晶系最典型的代表就象是幾何學上的一一個正六面柱體.當水汽凝華結晶的時候,如果主晶軸比其它三個輔軸發育得慢,並且很短,那麼晶體就形成片狀；倘若主晶軸發育很快,延伸很長,那麼晶體就形成柱狀.雪花之所以一般是六角形的,是因為沿主晶軸方向晶體生長的速度要比沿三個輔軸方向慢得多的緣故.

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