雪花是怎样形成的
2014/2/7 17:39:25 中国科普博览

     年后上班第一天，许多地方都迎来一场春雪，特别是像帝都这种连续107天没有出现有效降水的地方，这场雪着实令人激动。雪花是怎样形成的？它又为什么是六角形的呢？我们从一个有趣的小故事开始这个话题：

     1773年冬天，俄国彼得堡的一家报纸，报导了一件十分有趣的新闻。在一个舞会上，由于人多，又有成千上百支蜡烛的燃烧，使得舞厅里又热又闷，那些身体欠佳的夫人、小姐们几乎要在欢乐之神面前昏倒了。这时，有一个年轻男子跳上窗台，一拳打破了玻璃。于是，舞厅里出现了意想不到的奇迹，一朵朵美丽的雪花随着窗外寒冷的气流在大厅里翩翩起舞，飘落在闷热得发昏的人们的头发上和手上。有人好奇地冲出舞厅，想看看外面是不是下雪了。令人惊奇的是，天空星光灿烂，新月银光如水。

     那么，大厅里的雪花是从哪儿飞来的呢？莫非有人在耍什么魔术？这就要从雪花形成的条件说起。

     雪花是怎样形成的？

     在天空中运动的水汽怎样才能形成降雪呢？是不是温度低于零度就可以了？不是的，水汽想要结晶，形成降雪必须具备两个条件：

     一个条件是水汽饱和。空气在某一个温度下所能包含的最大水汽量，叫做饱和水汽量。空气达到饱和时的温度，叫做露点。饱和的空气冷却到露点以下的温度时，空气里就有多余的水汽变成水滴或冰晶。因为冰面饱和水汽含量比水面要低，所以冰晶生长所要求的水汽饱和程度比水滴要低。也就是说，水滴必须在相对湿度(相对湿度是指空气中的实际水汽压与同温度下空气的饱和水汽压的比值)不小于100%时才能增长；而冰晶呢，往往相对湿度不足100%时也能增长。例如，空气温度为-20℃时，相对湿度只有80%，冰晶就能增长了。气温越低，冰晶增长所需要的湿度越小。因此，在高空低温环境里，冰晶比水滴更容易产生。

     另一个条件是空气里必须有凝结核。有人做过试验，如果没有凝结核，空气里的水汽，过饱和到相对湿度500%以上的程度，才有可能凝聚成水滴。但这样大的过饱和现象在自然大气里是不会存在的。所以没有凝结核的话，我们地球上就很难能见到雨雪。凝结核是一些悬浮在空中的很微小的固体微粒。最理想的凝结核是那些吸收水分最强的物质微粒。比如说海盐、硫酸、氮和其它一些化学物质的微粒。所以我们有时才会见到天空中有云，却不见降雪，在这种情况下人们往往采用人工降雪。

     雪花为什么是六角形的？

     早在公元前的西汉时代，《韩诗外传》中就指出：“凡草木花多五出，雪花独六出。”雪的基本形状是六角形。但在不同的环境下，却可表现出各种样的形态。

     世界上有不少雪花图案收集者，他们收集了各种雪花图案。有人花了毕生精力拍摄了成千上万张雪花照片，发现将近有六千种彼此不同的雪花，但他死前认为这不过是大自然落到他手中的少部分雪花而已。以致于有人说沒有两朵大小和形状完全相同的雪花。

     为什么雪花的基本形态是六角形的片状和柱状呢?

     这和水汽凝华结晶时的晶体习性有关。水汽凝华结晶成的雪花和天然水冻结的冰都属于六方晶系。我们在博物馆里很容易被那纯洁透明的水晶所吸引。水晶和冰晶一样，都是六方晶系，不过水晶是二氧化硅(SiO2)的结晶，冰晶是水(H2O)的结晶罢了。

     六方晶系具有四个结晶轴，其中三个辅轴在一个基面上，互相以60°的角度相交，第四轴(主晶轴)与三个辅轴所形成的基面垂直。六方晶系最典型的代表就象是几何学上的一一个正六面柱体。当水汽凝华结晶的时候，如果主晶轴比其它三个辅轴发育得慢，并且很短，那么晶体就形成片状；倘若主晶轴发育很快，延伸很长，那么晶体就形成柱状。雪花之所以一般是六角形的，是因为沿主晶轴方向晶体生长的速度要比沿三个辅轴方向慢得多的缘故。

     雪花有多大

     诗人李白在形容燕山雪花时有一句著名诗句：“燕山雪花大如席”。雪花真的有那么大吗？其实，雪花是很小的。不要说“大如席”的雪花科学史上没有记录，就是“鹅毛大雪”，也是不容易遇到的。

     事实上，我们能够见到的单个雪花，它们的直径一般都在0.5～3.0毫米之间。这样微小的雪花只有在极精确的分析天平上才能称出它们的重量，大约3000～10000个雪花加在一起才有一克重。有位科学家粗略统计了一下，一立方米的雪里面约有60～80亿颗雪花，比地球上的总人口数还要多。

     雪花晶体的大小，完全取决于水汽凝华结晶时的温度状况。在非常严寒时形成的雪晶很小，几乎看不见，只有在阳光下闪烁时，人们才能发现它们象金刚石粉末似地存在着。

     据研究，温度对雪晶大小存在影响：当气温为-36℃时，雪晶的平均面积是0.017平方毫米；当气温为-24℃时，平均面积是0.034平方毫米；气温为-18℃时，平均面积是0.084平方毫米，-6℃时，为0.256平方毫米，气温在-3℃时，雪晶的平均面积增大到0.811平方毫米。

     人们有种错误的感觉，这种感觉常常是从有些文学作品描写天气严寒时，喜欢用“鹅毛大雪”来形容。其实，“鹅毛大雪”是气温接近0℃左右时的产物，并不是严寒气候的象征。相反，雪花越大，说明当时的温度相对比较高。三九严寒很少出现鹅毛大雪，只有在秋末初冬或冬末初春时，才有可能下鹅毛大雪。所谓的鹅毛大雪，其实并不是一颗雪花，而是由许多雪花粘连在一起而形成的。单个的雪花晶体，直径最大也不会超过10毫米，至多象我们指甲那样大小，称不上鹅毛大雪。

     在温度相对比较高的情况下，雪花晶体很容易互相联结起来，这种现象称为雪花的并合。尤其当气温接近0℃，空气比铰潮湿的时候，雪花的并合能力特别大，往住成百上千朵雪花并合成一片鹅毛大雪。因此，严格地说，鹅毛大雪并不能称为雪花，它仅仅是许多雪花的聚合体而已。

     本内容取材于中国科普博览虚拟博物馆，发于微信时有改动。

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