雪花的形狀是什么樣的?

雪花的形狀是什么樣的?

2016-02-12 19:57:11  微科普
本文作者:微科普

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雪花的形狀是什么樣的?

     下雪時的景致美不勝收,但科學家和工藝美術師贊嘆的還是小巧玲瓏的雪花圖案。遠在一百多年前,冰川學家們已經開始詳細描述雪花的形態了。

    西方冰川學的鼻祖丁鐸耳在他的古典冰川學著作里,這樣描述他在羅扎峰上看到的雪花:“這些雪花……全是由小冰花組成的,每一朵小冰花都有六片花瓣,有些花瓣象山蘇花一樣放出美麗的小側舌,有些是圓形的,有些又是箭形的,或是鋸齒形的,有些是完整的,有些又呈格狀,但都沒有超出六瓣型的范圍。”

    在我國,早在公元前一百多年的西漢文帝時代,有位名叫韓嬰的詩人,他寫了一本《韓詩外傳》,在書中明確指出,“凡草木花多五出,雪花獨六出。”

雪花    雪花的基本形狀是六角形,但是大自然中卻幾乎找不出兩朵完全相同的雪花,就象地球上找不出兩個完全相同的人一樣。許多學者用顯微鏡觀測過成千上萬朵雪花,這些研究最后表明,形狀、大小完全一樣和各部分完全對稱的雪花,在自然界中是無法形成的。

    在已經被人們觀測過的這些雪花中,再規則勻稱的雪花,也有畸形的地方。為什么雪花會有畸形呢?因為雪花周圍大氣里的水汽含量不可能左右上下四面八方都是一樣的,只要稍有差異,水汽含量多的一面總是要增長得快一些。

雪花    世界上有不少雪花圖案搜集者,他們象集郵愛好者一樣收集了各種各樣的雪花照片。有個名叫賓特萊的美國人,花了畢生精力拍攝了近六千張照片。蘇聯的攝影愛好者西格尚,也是一位雪花照片的攝影家,他的令人銷魂的作品經常被工藝美術師用來作為結構圖案的模型。日本人中谷宇吉郎和他的同事們,在日本北海道大學實驗室的冷房間里,在日本北方雪原上的帳篷里,含辛茹苦二十年,拍攝和研究了成千上萬朵的雪花。

    但是,盡管雪花的形狀千姿百態,卻萬變不離其宗,所以科學家們才有可能把它們歸納為前面講過的七種形狀。在這七種形狀中,六角形雪片和六棱柱狀雪晶是雪花的最基本形態,其它五種不過是這兩種基本形態的發展、變態或組合。

雪花為什么是六角形的?

    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。以致于有人說沒有兩朵大小和形狀完全相同的雪花。

    為什么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于六方晶系。我們在博物館里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,不過水晶是二氧化硅(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60°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,并且很短,那么晶體就形成片狀;倘若主晶軸發育很快,延伸很長,那么晶體就形成柱狀。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。


千姿百態的雪花

    對于一片六角形雪片來說,由于它表面曲率不等(有凸面、平面和凹面),各面上的飽和水汽壓力也不同,因此產生了相互間的水汽密度梯度,使水汽發生定向轉移。水汽轉移的方向是凸面→平面→凹面,也就是從曲率大的表面,移向曲率小的表面。六角形雪片六個棱角上的曲率最大,邊棱部分的平面次之,中央部分曲率最小。這樣,就使六角形雪片一直處在定向的水汽遷移過程中。由于棱角上水汽向邊棱及中央輸送,棱角附近的水汽飽和程度下降,因而產生升華現象。中央部分由于獲得源源不斷的水汽而達到冰面飽和,產生凝華作用。這種凝華結晶的過程不斷進行,六角形雪片逐漸演變成為六棱柱狀雪晶。

    這是假定外部不輸送水汽的理想狀況。事實上,事物與周圍環境保持著密切的聯系,空氣里總是或多或少存在著水汽的。如果周圍空氣輸人水汽較少,少到不夠雪片的棱角向中央輸送水汽的數量,那么雪片向柱狀雪晶的發展過程繼續進行。在溫度很低水汽很少的高緯和極地地區,便因為這個原因經常降落柱狀雪晶。

    空氣里水汽飽和程度較高的時候,出現另外一種情況。這時周圍空氣不斷地向雪片輸送水汽,使雪片快速地發生凝華作用。凝華降低了雪片周圍空氣層中的水汽密度,反過來又促進外層水汽向內部輸送。這樣,雪片便很快地生長起來。當水汽快速向雪片輸送的時候,六個頂角首當其沖,水汽密度梯度最大。來不及向雪片內部輸送的水汽,便在頂角上凝華結晶;這時,頂角上會出現一些突出物和枝杈。這些枝叉增長到一定程度,又會分叉。次級分叉與母枝均保持60的角度,這樣,就形成了一朵六角星形的雪花。

    在高山或極地的晴朗天氣里,還可見到一種冰針,象寶石一樣閃爍著瑰麗的光彩,人們把它叫做鉆石塵。冰針的生長有二種情況:一種是在嚴寒下(-30℃以下)濕度很小時水汽自發結晶的結果,另一種是在溫度較高(-5℃左右)濕度較大時沿著雪片某一條輔軸所在的頂角特別迅速生長的產物,是雪花的畸形發展。

    形形色色的雪花晶體在天空生成后,當它們的直徑達到50微米時,便能克服空氣的浮力而開始作明顯的下降運動,一邊飄逸下降一邊繼續生長變化。這樣一來,便產生了形式紛紜繁多的雪花。我們只要把它們接納在黑呢子或黑天鵝絨上,就能用肉眼初步辨別出它們的形態來。

雪花有多大

    詩人李白在形容燕山雪花時有一句著名詩句:“燕山雪花大如席”。雪花真的有那么大嗎?其實,雪花是很小的。不要說“大如席”的雪花科學史上沒有記錄,就是“鵝毛大雪”,也是不容易遇到的。

    事實上,我們能夠見到的單個雪花,它們的直徑一般都在0.5~3.0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它們的重量,大約3000~10000個雪花加在一起才有一克重。有位科學家粗略統計了一下,一立方米的雪里面約有60~80億顆雪花,比地球上的總人口數還要多。

    雪花晶體的大小,完全取決于水汽凝華結晶時的溫度狀況。在非常嚴寒時形成的雪晶很小,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。

    據研究,溫度對雪晶大小存在影響: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。

    人們有種錯誤的感覺,這種感覺常常是從有些文學作品描寫天氣嚴寒時,喜歡用“鵝毛大雪”來形容。其實,“鵝毛大雪”是氣溫接近0℃左右時的產物,并不是嚴寒氣候的象征。相反,雪花越大,說明當時的溫度相對比較高。三九嚴寒很少出現鵝毛大雪,只有在秋末初冬或冬末初春時,才有可能下鵝毛大雪。所謂的鵝毛大雪,其實并不是一顆雪花,而是由許多雪花粘連在一起而形成的。單個的雪花晶體,直徑最大也不會超過10毫米,至多象我們指甲那樣大小,稱不上鵝毛大雪。

    在溫度相對比較高的情況下,雪花晶體很容易互相聯結起來,這種現象稱為雪花的并合。尤其當氣溫接近0℃,空氣比鉸潮濕的時候,雪花的并合能力特別大,往住成百上千朵雪花并合成一片鵝毛大雪。因此,嚴格地說,鵝毛大雪并不能稱為雪花,它僅僅是許多雪花的聚合體而已。

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