Question

雪花怎么形成的?

Answer 1

雪花形成的条件:
天空中的云是由无数的水蒸气和小水点所组成.在内陆上的云层,大部分的小水点的直径要比千分之四毫米还要少!可能很多人会认为水是在摄氏零度时凝结成冰,但其实这个说法并不完全正确, 以下是大部分科家相信雪花形成的基本条件：
在一般的情况下,水点并不会互相黏在一起,它也需要一些基本条件配合.首先,大气里需要有着大量的水点,是要令大气饱和；同时,大气温度要徘徊在水凝结的温度 ,也即是摄氏零度.不过,纯正的水点并不会在这温度下凝固,这是因为水点里没有包含一种名为凝固核的粒子.这种凝固核通常会在摄氏零下十度形成,并会被水点所包围和凝固.在天空中,水点需要黏附在一些物质才能凝固,大气里最容易找到的应该是尘埃了,不过烟雾甚至细菌也可以作为所需的凝结粒子呢!
曾经有一班苏联人对雪花进行了研究,结果也支持了以上的说法.他们使用飞机在天空中投放一些以尘埃做成的人工粒子,然后收集和量度冰核 (凝结核),证实了利用人工粒子形成的雪花比那些天然形成的更大.
雪花形成的过程:
当凝结核在摄氏零度以下时,水点便会开始凝结成冰晶.由于那些水点是非常细小并且是看不到的,很多人误以为这是升华作用.升华作用是指水蒸气没有经过液态的过程而直接变成冰.
当冰晶形成后,围绕冰晶的水点会凝固并与冰晶黏在一起,细小的冰晶会吸引更多的水点而逐渐长成更大的冰晶,直至二至二百个冰晶连系在一起,形状不同而且独一无二的雪花便会根据大气环境而形成.
雪粒子由天上降至地上的度快慢各异,极小的晶体下降度近乎零,一般雪花则以每秒一米的速度,溶化中的雪还要快好几倍.每当雪晶碰到过冷的水点时 ,它们会立刻凝固在一起,形成的软粒子便是雪小球,而整个过程被称为“蒙霜”.在温和的区域里,水分子的增加造就了冰晶的生长,从而形成了雪花.它那巧夺天工的六角体成为了雪花生长的奥秘,每个雪花有着至少上亿个水分子,冰晶就是从水平和垂直的方向,生长成更大更厚的晶体了.不过 ,整个过程都是有着六角对称的特性,确是不可思议呢!
雪花的生长:
雪花形成的时候,大气里水气是饱和的,温度则在摄氏零度以下.微细的冰晶会渐渐围绕着凝结核.然后,冰晶连结在一起而雪花亦随之诞生.这过程被称为“结晶”.在结晶过程中,水分子会以它们的基本排列方式从液态变成固态.由于冰晶的基本模式是六角棱体,大部份冰晶的雏形都是六角形的.当更多的水分子与冰晶结合后,他们会由第一个六角形开始保持冰晶的形状继续向外生长.
虽然大部份冰晶形成时有着六边对称的特性,但是它们会因应温度的改变而做成很多不同形状的变化.若温度低于摄氏零下三十度,六角柱体的冰晶便会形成,典型的六角形的扁平片状雪花会在摄氏零下十五度左右时形成.当温度上升至摄氏零下五度,无论针状、柱状抑或一些不能估计的形状的雪花便会产生.由于雪层越高,温度越冷,因此六角柱状的雪花通常会在高云形成.较低的云层通常会形成六角平面的片状雪花,而不同形状的结晶会在低云中产生.不过现实的情形更加复杂、不为人所知呢!
* 雪花的大小
很多人会把雪花想象成从天而降的雪,因此他们会假设雪花会和雪球差不多大小.事实上,雪花一词是指个别的雪晶,而从天空降下来的雪称为雪球,它聚集了数百甚至数千个细小雪花黏在一起.现在,你可以想象得到一个雪花有多大吧.
一般来说,雪晶的直径介乎半毫米至三毫米,而雪花的大小大概是十毫米,在一克里有着三千至一万个这些雪花,有些较大的雪花直径可能达到二厘米至四厘米(0.79英寸至1.57 英寸),但偶尔也有一些巨型的雪花,有些特别大的雪花的直径能超过五厘米(2英寸)和包含在数百个晶体.不过,要长出巨大的雪花是需要完美的条件配合的.
周边的温度是影响雪晶大小的其中一个原因.在摄氏零下三十六度,雪晶很小,只有0.017平方毫米,这时它们是看不见的.在摄氏零下二十四度,雪晶的大小是0.034平方毫米；在摄氏零下十八度,雪花的大小增加至0.084平方毫米.处于摄氏零下六度的温度下,它们平均有0.256平方毫米.在摄氏零下三度,雪花的大小增加至0.811平方毫米.
* 雪花的六角形状
我们知道雪晶的六角形状能细分为两大类,一是片状,另一类是柱状.我们经常看到比较美丽的雪花便是那些六边对称的片状雪晶.它们通常会在温度介乎摄氏零下五度至零下二十度之间形成,柱状雪花包括了针状和中空柱状,针状雪晶在温度介乎摄氏零度至摄氏零下五度形成,中空柱状在是低于摄氏零下二十度形成.
如果我们希望找出大部分冰晶是六角棱体的原因,我们或许应该首先了解一下水分子.水分子是由两个氢原子以及一个氧原子(这便是我们常把水称为H2O的原因),它们以一种很强的键——共价键, 黏合在一起.
当液态的水分子被冷却至凝固点,水分子会互相碰撞,形成固态冰晶,然后它们会利用氢键结合在一起.若分子与分子之间结合,便会更稳定.相对来说,最稳定的排列方式是以六角形状把六个水分子黏在一起,这也是为什么大部份冰晶是六角形的.
很多水分子从冰晶周围黏在一起的时候,它们大部份会黏在六角形冰芯片的角上,这是由于六角形的角比边更容易吸引水分子.因此,角会是雪花生长的起步点呢!
* 雪花的独有性
很久以前,一位科学家曾作一个有关雪花的研究,他使用显微镜来观察大约五千个雪花的形状.令他感到出奇的是,竟然找不到任何两个形状完全相同的雪花,每一个雪花都拥有自己的独有图案而从不重复的.
科学家其后尝试找出这个雪花的奥秘,结果他们发现雪花对于大气环境的改变是极度敏感的.即使气温或水份子饱和度出现微小的改变,雪花生长的图案也可能有很明显的改变.在大气里,气温和饱和度是不断改变的,因此我们很难找到两个完全相同雪晶.
事实上,雪花有多尖锐能反映其生长环境.例如,我们能够看到一个片状主体时,温度大约介乎摄氏零下五度至零下二十度,如果温度变暖至介乎摄氏零度至五度,针状分支便会形成. 此外,雪花在空气中飘浮的时间越长,图案会越复杂.雪花的形状极多,而且十分美丽.如果把雪花放在放大镜下,可以发现每片雪花都是一幅极其精美的图案,连许多艺术家都赞叹不止.但是,各种各样的雪花形状是怎样形成的呢?
雪花大都是六角形的,这是因为雪花属于六方晶系.云中雪花"胚胎"的小冰晶,主要有两种形状.一种呈六棱体状,长而细,叫柱晶,但有时它的两端是尖的,样子象一根针,叫针晶.别一种则呈六角形的薄片状,就象从六棱铅笔上切下来的薄片那样,叫片晶.
如果周围的空气过饱和的程度比较低,冰晶便增长得很慢,并且各边都在均匀地增长.它增大下降时,仍然保持着原来的样子,分别被叫做柱状、针状和片状的雪晶.
如果周围的空气呈高度过饱和状态,那么冰晶在增长过程中不仅体积会增大,而且形状也会变化.最常见的是由片状变为星状.
在冰晶增长的同时,冰晶附近的水汽会被消耗.所以,越靠近冰晶的地方,水汽越稀薄,过饱和程度越低.在紧靠冰晶表面的地方,因为多余的水汽都已凝华在冰晶上了,所以刚刚达到饱和.这样,靠近冰晶处的水汽密度就要比离它远的地方小.水汽就从冰晶周围向冰晶所在处移动.水汽分子首先遇到冰晶的各个角棱和凸出部分,并在这里凝华而使冰晶增长.于是冰晶的各个角棱和凸出部分将首先迅速地增长,而逐渐成为枝叉状.以后,又因为同样的原因在各个枝叉和角棱处长出新的小枝叉来.与此同时,在各个角棱和枝叉之间的凹陷处.空气已经不再是饱和的了.有时,在这里甚至有升华过程,以致水汽被输送到其他地方去.这样就使得角棱和枝叉更为突出,而慢慢地形成了我们熟悉的星状雪花.
上面说的实际上是一个典型的星状雪花的形成过程.它的相当部位,不论形状或大小,都应当是相同的.这种典型的星状雪花只有在一个理想的、平静的环境中(譬如在实验室内)才能形成.在大气中,它不能象上面说的那样有步骤地增大,所形成的形状也就不能那样典型.这是因为冰晶逐渐在下降着,而且有时在旋转着,各个枝叉接触水汽的多少有所不同,而那些接触水汽较多的枝又便增长得较多.因此,我们平常所看到的雪花虽大体上一样但又互不相同.
另外,雪花在云内下降的过程中,也会从适宜于形成这种形状的环境降到适宜于形成另一种形状的环境,于是便出观了各种复杂的雪花形状.有的象袖扣,有的象刺猾.即使都是星状雪花,也有三个枝叉的、六个枝叉的,甚至有十二个枝叉、十八个枝又的.
以上所述都是单个雪花的情况.在雪花下降时,各个雪花也很容易互相攀附并合在一起,成为更大的雪片.雪花的并合大多在以下三种情况下出观.(1)当温度低于0℃的时候,雪花在缓慢下降的途中相撞.碰撞产生了压力和热,使相撞部分有些融化而彼此沾附在一起,随后这些融化的水又立即冻结起来.这样,两个雪花就并合到一起了.(2)在温度略高于0℃的时候,雪花上本来已覆有一层水膜,这时如果两个雪花相碰,便借着水的表面张力而沾合在一起.(3)如果雪花的枝叉很复杂,则两个雪花也可以只因简单的攀连而相挂在一起.
雪花从云中下降到地面,路途很长,在条件适合时,可以经多次攀连并合而变得很大.在降大雪的时候,有时有一些鹅毛般的大雪片,就是经过多次并合而成的.
但是,有时雪花互碰时不是互相并合在一起,而是给碰破了,这时便产生一些畸形的雪花.例如,在降雪的时候,有时会见到一些单个的"星枝",就属于这种情况. 雪花有多种多样的形态,但每一片雪花都是六角形的,这是大自然呈现给我们的美丽,也是给我们出的一道课题.
雪花的形状,涉及到水在大气中的结晶过程.大气中的水分子在冷却到冰点以下时,就开始凝华,而形成水的晶体,即冰晶.冰晶和其他一切晶体一样,其最基本的性质就是具有自己的规则的几何外形.冰晶属六方晶系,六方晶系具有四个结晶轴,其中三个辅轴在一个平面上,互相以六十度角相交；另一主轴与这三个辅轴组成的平面垂直.六方晶系的最典型形状是六棱柱体.但是,当结晶过程中主轴方向晶体发育很慢,而辅轴方向发育较快时,晶体就呈现出六边形片状.
大气中的水汽在结晶过程中,往往是晶体在主晶轴方向生长速度慢,而三个辅轴方向则快得多,冰晶多为六边片状.当大气中的水汽十分丰富的时候,周围的水分子不断地向最初形成的晶片上结合,其中,雪片的六个顶角首当其冲,这样,顶角上会出现一些突出物和枝杈.这些枝叉增长到一定程度,又会分叉.次级分又与母枝均保持六十度的角度．这样,就形成了一朵六角星形的雪花.每片雪花在整体上虽然都是六角星形的,但在细微形态上却有很多差别.有人专门收集过不同形状的雪花,竟发现有六千多种不同的细微形态的雪花.
雪花从空中飘落时,为什么能保持六角形的形态呢?科学家们发现,雪花在空中飘浮时,本身还会振动,而这种振动是环绕对称点进行的,而这个对称点正是最初形成的冰晶,这就是保持雪花形态在飘落过程中不发生变化的原因.
不过,在极地,有时由于大气中的水汽不足,湿度极低,水汽结晶过程十分充裕,冰晶最终能形成六棱柱状的标准形态.因此,在极地区,有时就能看到降下来的雪不是片状的雪花,而是一些六棱柱形的雪晶!当小水滴自身的重量与它受到的空气浮力相等时,它就在那里飘浮.大气层是不均匀的,越往上空气的浮力越小,所以当这些小水滴的直径越小时,云就飘得越高,直径越大时,云就会飘得越低.）遇冷后凝结而成的.不管是雨还是雪它形成的初期都需要一个核.这个核一般来说是由空气中的尘埃充当的.当气温变冷后,尘埃的温度比水滴的温度下降得更快,这时小水滴就会聚集并依附在小尘埃上,形成更大的水滴,当它大到比空气重时,它就会降落下来,它越降就会越大,这样就形成了雨.而当空气非常冷时,云就不是小水滴了而是小冰晶了.雪在形成的初期也需要一个核,小冰晶也会依附在这个核上形成更大的冰晶,当它大到比空气重时就会降落下来,它在降落的过程中不断的有新的小冰晶粘附在上面,到达地面时就形成了漂亮的雪花了.有时天空中上面一层的气温比较高,只有形成雨的温度,而下层比上一层要冷得多,并能立刻使雨点凝结成冰,此种情况就下起了颗粒状的雪或者冰雹了,如果只能使部分的雨凝结成雪,就会下雨夹雪.