为什么雪花形状那么规则和完美?雪花为什么是这个形状而不是其他?

为什么雪花形状那么规则和完美?雪花为什么是这个形状而不是其他?
为什么雪花形状那么规则和完美?
雪花为什么是这个形状而不是其他?

为什么雪花形状那么规则和完美?雪花为什么是这个形状而不是其他?
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, 大气裏需要有著大量的水点, 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, 这是因为水点裏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, 大气裏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, 结果亦支持了以上的说法. 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. 由於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"; 在温和的区域裏. 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, 每个雪花有著至少上亿个水分子,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, 整个过程都是有著六角对称的特性, 确是不可思议呢!
雪花的生长
雪花形成的时候, 大气裏水气是饱和的, 温度则在摄氏零度以下. 微细的冰晶会渐渐围绕著凝结核. 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. 由於冰晶的基本模式是六角稜体, 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著六边对称的特性, 但是它们会因应温度的改变而做成很多不同形状的变化. 若温度低於摄氏零下三十度, 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. 由於雪层越高, 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
很多人会把雪花想像成从天而降的雪, 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, 你可以想像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, 在一克裏有著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. 处於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; 中空柱状在是低於摄氏零下二十度形成.
若果我们希望找出大部分冰晶是六角稜体的原因, 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.这亦是为何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晶片的角上, 此乃由於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覆的.
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於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. 在大气裏, 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.