雪花是怎样形成的?
雪花形成的条件:
(资料图)
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。
雪花的形成原理是什么?
雪花的形成，主要与空气中的水汽有关。冬季气温降低到0℃以下时，空气中的水汽便在云层中凝结成小冰晶。而云层中的冰晶和过冷水滴不断碰撞蒸发，就会形成水蒸气。
这些水蒸气在凝结的同时体积逐渐增大，就慢慢变成了雪花。由于雪花是由冰晶增大形成的，而冰晶的分子多为六角形，所以雪花也多是六角形的。
