又到了全國(guó)各地約好了下雪的季節(jié)，你那里下雪了嗎？

雪花紛紛揚(yáng)揚(yáng)地落下，讓人不禁想起了《世說(shuō)新語(yǔ)》中記載東晉名臣謝安的那靈魂一問(wèn)：“白雪紛紛何所似？”

自古人們就喜歡用美好的詞匯來(lái)比喻雪，雪花像鹽巴、像白糖、像鵝毛......

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如果你專(zhuān)門(mén)留意過(guò)，會(huì)發(fā)現(xiàn)大部分雪花都是六瓣?duì)睢?/p>

雪花都是六瓣的嗎？雪落下的時(shí)候，為什么會(huì)形成這個(gè)形狀？有兩片相同的雪花嗎？這就要從雪花的形成過(guò)程說(shuō)起。

01

雪花的形成：

冰晶主軸與輔軸的“賽跑”

早在西漢時(shí)期就有人總結(jié)道：“凡草木花多五出，雪花獨(dú)六出”。

而現(xiàn)在，借助于先進(jìn)的攝影技術(shù)我們能夠觀察到，雪花的形狀各異，但大部分都是六瓣?duì)睢?/p>

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雪花的本質(zhì)是冰晶，冰晶是水汽在冰核上凝華增長(zhǎng)而形成的固態(tài)水合物，是雪花形成時(shí)的必要介質(zhì)，可以看作是幼年期的雪花。

隨著冰晶的長(zhǎng)大，多姿多樣的雪花也就形成了。

諺語(yǔ)里面有句“下雪不冷化雪冷”，說(shuō)的就是空氣中的水分遇冷放熱凝結(jié)成冰晶，而雪融化的時(shí)候會(huì)吸熱變成水，所以會(huì)使下雪的時(shí)候氣溫高于化雪的時(shí)候。

雪花不會(huì)自己憑空產(chǎn)生，它必須依托同溫層以下空氣中一顆顆肉眼看不到的微塵粒子做“晶核”。

晶核是以一些塵埃為中心，與氣態(tài)水分子一起在較低的溫度下形成的一個(gè)物質(zhì)集團(tuán)，就像磁石一樣，能夠不斷吸附周?chē)臍鈶B(tài)的水分子過(guò)來(lái)。

讓水分子圍著它一層又一層地凝結(jié)、不斷生長(zhǎng)變大為固態(tài)，完成相變。

晶核生長(zhǎng)的形狀有兩種趨勢(shì)：一種是長(zhǎng)而細(xì)的六棱柱形柱晶，有時(shí)它也會(huì)兩頭尖尖，有如一根針，我們稱(chēng)其為“針晶”；

另一種是很薄的，就像用小刀切下來(lái)的薄皮狀鉛筆屑一樣的六邊形片晶。

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為何晶核會(huì)朝著兩種不同的方向生長(zhǎng)呢？這就要追溯到冰晶的結(jié)構(gòu)。

冰晶和其他一切晶體一樣，其最基本的性質(zhì)就是具有規(guī)則的幾何外形。

為了便于確定晶面各晶棱在晶體上的位置，我們?nèi)藶榈匕凑找欢ㄒ?guī)則選擇一個(gè)坐標(biāo)軸，并稱(chēng)之為晶軸。

在晶體中有一種叫做六方晶系，它有四根晶軸，即一根豎直軸和三根水平軸。

和我們?cè)诓┪镳^見(jiàn)到的水晶類(lèi)似，冰晶也屬于六方晶系，同樣具有四個(gè)結(jié)晶軸，分為三個(gè)輔晶軸和一個(gè)主晶軸。

其中三個(gè)輔晶軸互相以 60° 的角度相交形成一個(gè)基面上，主軸垂直于此基面。下面這張圖可以幫助大家理解冰晶的結(jié)構(gòu)：

冰晶的晶軸，圖片來(lái)源：維基百科

當(dāng)水汽凝結(jié)成冰晶時(shí)，而且當(dāng)主軸比輔軸凝結(jié)得快，發(fā)育得很長(zhǎng)的時(shí)候，冰晶就形成柱狀；

相反，如果主軸比輔軸凝結(jié)得慢，那么冰晶就呈現(xiàn)片狀。

常見(jiàn)的雪花大部分是六角形，就是冰晶沿主軸生長(zhǎng)速度比其他三個(gè)輔軸生長(zhǎng)速度慢得多而導(dǎo)致的。

02

冰晶主軸的凝結(jié)

受這些因素的影響

在了解冰晶的生長(zhǎng)機(jī)制后，我們?cè)倏纯从绊懷┗ㄖ鬏S生長(zhǎng)速度的因素。雪花主軸生長(zhǎng)主要受溫度和濕度的影響。

首先，溫度會(huì)影響冰晶的凝結(jié)速度。

溫度特別低的時(shí)候，冰晶沒(méi)有生長(zhǎng)的機(jī)會(huì)，就會(huì)形成很小的雪晶，單個(gè)冰晶甚至很難被肉眼直接觀察。

在零下 30℃ 時(shí)，冰晶會(huì)凝結(jié)成針狀，而接近 0℃ 時(shí)，雪花的基面大多會(huì)生長(zhǎng)為六邊形。

其次，濕度也會(huì)對(duì)凝結(jié)速度產(chǎn)生影響。

濕度主要由云層中的水汽含量決定，如果空氣濕度比較低，那么冰晶生長(zhǎng)得就會(huì)很慢，大多會(huì)形成柱晶、針晶和片晶三種基本形狀，例如片狀、粉末狀雪花；

而當(dāng)空氣濕度較高的時(shí)候，冰晶在生長(zhǎng)的時(shí)候就會(huì)發(fā)生形狀的變化，比如形成我們熟悉的星形雪花。

這樣我們就可以梳理一下雪花的形成過(guò)程了。

前文已經(jīng)提到，冰晶是由空氣中的水汽凝結(jié)形成的，在冰晶生長(zhǎng)的時(shí)候，會(huì)消耗周?chē)乃瑢?dǎo)致冰晶周?chē)乃麧舛认陆怠?/p>

水汽向冰晶所在處擴(kuò)散，新的水汽首先遇到冰晶的突出和角棱部分并在此凝結(jié)，使冰晶得到增長(zhǎng)，并使突出部分逐漸成長(zhǎng)為枝杈狀。

之后，因?yàn)橄嗤脑蛟谥﹁竞徒抢馓庨L(zhǎng)出新的枝杈和角棱，逐漸形成我們熟悉的星狀雪花。

在上述理論支撐下，星狀雪花的相對(duì)部位應(yīng)當(dāng)是對(duì)稱(chēng)的，形狀、大小應(yīng)該是相同的。

但在大氣中，雪花不會(huì)像上述那樣有序地生長(zhǎng)，而會(huì)受到氣流、空氣成分等的影響，形狀也不會(huì)那么規(guī)則。

此外，冰晶在形成過(guò)程中是在不斷運(yùn)動(dòng)的，所處的溫度和濕度不斷變化，會(huì)從適宜于形成這種形狀的環(huán)境降到適宜于形成另一種形狀的環(huán)境。

比如雪花各個(gè)部位接觸到的水汽有所不同，接觸水汽多的地方生長(zhǎng)得快、少的地方生長(zhǎng)得慢，于是便形成了各種不同的雪花形狀。

此外，科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，在只有水蒸氣的真空空間里形成的冰晶幾乎都是單三棱柱體，這表明空氣中的其他氣體也會(huì)影響雪花的形成。

圖片來(lái)源：http://www.snowcrystals.com

03

“鵝毛大雪”

原來(lái)是這樣形成的

單個(gè)雪花的形狀就已經(jīng)是多種多樣的了，而在雪花下降的過(guò)程中，各個(gè)雪花也有可能相互合并形成更大的雪花。

這可能是因?yàn)榕鲎材Σ辽鸁嵴锤皆谝黄穑赡苁茄┗ㄉ嫌兴そ栌杀砻鎻埩Χ春?，也有可能是雪花自身形狀?fù)雜有枝杈，相互“手拉手”形成的。

從天上來(lái)到人間的路途很長(zhǎng)，在條件適合時(shí)，雪花可以經(jīng)多次攀連并合而變得很大，我們所說(shuō)的“鵝毛大雪”、“柳絮因風(fēng)起”就是經(jīng)過(guò)多次并合而成的，人類(lèi)曾觀測(cè)到的最大的雪花直徑有 38 厘米。

當(dāng)然，粘連的過(guò)程中也可能會(huì)導(dǎo)致部分雪花破碎，也就形成了一些畸形的雪花。

不過(guò)有一點(diǎn)需要注意，雪花非常輕，五千朵到一萬(wàn)朵雪花才有一克重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)輕于鵝毛，所謂“鵝毛大雪”是一種略微夸張的說(shuō)法。

雪花可不是“美麗的廢物”，它的用處大著呢！

我們的先輩們給了雪很多的美稱(chēng)，諸如“玉龍”“玉塵”“銀栗”，表達(dá)了對(duì)雪之美的喜愛(ài)，也有“冬天麥蓋三層被，來(lái)年枕著饅頭睡”的農(nóng)諺，描述了雪對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的貢獻(xiàn)

雪花既能起到保溫作用，又能為農(nóng)作物來(lái)年的生長(zhǎng)提供水分，也難怪有“瑞雪兆豐年”的美譽(yù)。

與此同時(shí)，雪花也帶給了科學(xué)家很多的啟發(fā)。

一方面，雪花被稱(chēng)為“來(lái)自天空的信使”，日本物理學(xué)家中谷宇吉郎博士就曾查明，千差萬(wàn)別的雪的結(jié)晶形式取決于高空氣溫高低和水蒸氣的多少，可以推斷大氣的狀況。

另一方面，雪花的本質(zhì)是冰晶，而冰晶的脆弱和短暫性使它們成為了科學(xué)研究的一個(gè)挑戰(zhàn)性對(duì)象。

早在 17 世紀(jì)，德國(guó)科學(xué)家和博學(xué)大師約翰尼斯·開(kāi)普勒就開(kāi)始思考雪花的結(jié)構(gòu)，而后來(lái)者也在不斷探究冰晶形狀的影響原因，推動(dòng)了原子物理學(xué)的不斷發(fā)展。

時(shí)至今日，仍有專(zhuān)門(mén)的研究人群致力于冰晶生長(zhǎng)的本質(zhì)。

我們雖不完全明晰冰晶生長(zhǎng)的干擾因素，但相關(guān)方面的探索在凝聚態(tài)物理方面有了一定的突破；

并對(duì)藥物分子、半導(dǎo)體芯片、太陽(yáng)能電池以及無(wú)數(shù)其他涉及到了高質(zhì)量晶體的生長(zhǎng)過(guò)程應(yīng)用起到了積極作用。

雪晶的生長(zhǎng)模型，圖片來(lái)源：維基百科

紛紛揚(yáng)揚(yáng)的雪花像一群精靈一樣，既給人間增添別樣的風(fēng)采，也蘊(yùn)含著大自然的奧妙，等待著我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

出品｜科普中國(guó)

作者｜李瑱 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

監(jiān)制｜中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

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