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雪花是如何形成的?
    时间:2015-12-21     点击率:20620

《力学园地》编辑部:2015年小雪时节,我们北京迎来一场令人心动的大雪!看着那些飘飘扬扬的雪花自天而降,我的五岁小儿子真是手舞足蹈、喜不胜收。他问:“爸爸,雪花怎么长成的呀?”我还有点说不清楚,能给我介绍一些雪花形成的小知识吗?

                                                                      一个男娃的老爸

 

雪花是如何形成的?

 

    雪花是空中的水汽遇冷凝结成的。在一般情况下,水汽先凝成水,然后才能结冰,但雪花却是直接由水汽凝结成的(人们也把这个过程叫做“凝华”)。当气温降低,空中水汽变为过饱和时,就会在结晶核(如尘埃)上开始结晶,然后逐步长大形成雪花。 

根据热力学知识,湿空气(就是含有水蒸气的空气)中水蒸气的分压力和它的含量呈正比,它能达到的最高压力就是这个温度下的饱和压力,这时水蒸气的含量也就达到了最大限度,所以人们常常称之为“饱和湿空气”。而且,热力学的知识还告诉我们:在这种饱和状态下,水的三种存在形式,或者说,固态(冰)、液态(水)和气态(蒸气)三个相(即固相、液相和气相)处于平衡,不同相之间可以相互转化。所以,当气温降低时,空气中原来处于饱和的水汽就“过”饱和了,它会在微尘之类的“核”上凝结,依照气温的高低不同,可以生成水滴或冰晶(有时二者同时存在)。我们看到的云,就是停留大气层上的水滴或冰晶的集合体。如果基本上是水滴,就叫做“水云”;如果以冰晶为主,就叫做“冰云”。 

云中雪花“胚胎”的小冰晶,主要有两种形状。一种是六棱体状,长而细,叫“柱晶”;其中,有些柱晶的两端是尖的,就叫“针晶”。另一种则是六角形的薄片状,叫“片晶”。到现在为止,人们已经知道的雪花大约有两万多种不同的图案,不过它们基本上是六角形的,这就是从片晶发育而成的。为什么是六角形呢?这和水的结晶习性有关。天然水冻结的冰和大气中水汽凝华的雪,都属于六方晶系。大家知道,水分子是由两个氢原子以及一个氧原子以一种很强的键——共价键而结合在一起的。在形成固态冰晶时,它们会利用氢键结合在一起,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,所以大部份冰晶是六角形的。

那么,我们看到的星状雪花六瓣星状雪花又是怎样长成的呢?原来,在冰晶在相互碰撞过程中合并、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,水汽含量越少,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,靠近冰晶处的水汽含量就要比离冰晶远的地方小。水汽就从远处向冰晶处运移。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。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。随后,由于同样的原因,远处输运来的水汽会在刚形成的各个枝叉和角棱处长出新的小枝叉来。这样,片状冰晶就慢慢地演化成了我们熟悉的星状雪花。 

最有利于云滴增长的是混合云,混合云是由冰晶和过冷水滴共同组成的。当一团空气对于冰晶说来已经达到饱和的时候,对于水滴说来却还没有达到饱和。这时云中的水汽向冰晶表面上凝华,而过冷却水滴却在蒸发,这时就产生了冰晶从过冷水滴“吸附”水汽的现象。在这种情况下,冰晶增长得很快。当它们增大到能够克服空气的阻力和浮力时,便落到地面,这就是雪花。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,形成鹅毛般的大雪片,就是经过多次并合而成的。一般而言,雪花既小又轻,它们的最大直径不超过2毫米,最大重量约为0.0002克。 

下面我们来欣赏一下雪花的图片吧。如此的晶莹剔透、玉洁冰心,真是令人心醉!怪不得中国古代诗人穷尽了不下30种美誉来称呼它:六出,飞花,琼英,玉蝶,瑞叶,......。的确,每一朵雪花都是大自然造物主的艺术创作。

 

                                            (龙翔依据相关资料编写)