為什么雪花的形狀很奇特？怎么形成的？

雪花的基本形狀都是六邊形，以星狀、片狀最多。 主要原因是因?yàn)楸肿邮橇呅危瑢?duì)于冰晶而言，由于面上、邊上和角上曲率不同，其凝華增長(zhǎng)的速度不同而引起的。 雪花形成的條件 天空中的云是由無數(shù)的水蒸氣和小水點(diǎn)所組成. 在內(nèi)陸上的云層, 大部分的小水點(diǎn)的直徑要比千分之四毫米還要少! 可能很多人會(huì)認(rèn)為水是在攝氏零度時(shí)凝結(jié)成冰, 但其實(shí)這個(gè)說法并不完全正確, 以下是大部分科家相信雪花形成的基本條件: 在一般的情況下, 水點(diǎn)知兄盯并不會(huì)互相黏在一起, 它也需要一些基本條件配合.首先, 大氣裏需要有著大量的水點(diǎn), 是要令大氣飽和. 同時(shí), 大氣溫度要徘徊在水凝結(jié)的溫度, 也即是攝氏零度. 不過, 純正的水點(diǎn)并不會(huì)在這溫度下凝固, 這是因?yàn)樗c(diǎn)裏沒有包含一種名為凝固核的粒子. 這種凝固核通常會(huì)在攝氏零下十度形成, 并會(huì)被水點(diǎn)所包圍和凝固. 在天空中, 水點(diǎn)需要黏附在一些物質(zhì)才能凝固, 大氣裏最容易找到的應(yīng)該是塵埃了, 不過煙霧甚至細(xì)菌也可以作為所需的凝結(jié)粒子呢! 曾經(jīng)有一班蘇聯(lián)人對(duì)雪花進(jìn)行了研究, 結(jié)果亦支持了以上塵饑的說法. 他們使用飛機(jī)在天搭和空中投放一些以塵埃做成的人工粒子, 然后收集和量度冰核 (凝結(jié)核) , 證實(shí)了利用人工粒子形成的雪花比那些天然形成的更大. 雪花形成的過程 當(dāng)凝結(jié)核在攝氏零度以下時(shí), 水點(diǎn)便會(huì)開始凝結(jié)成冰晶. 由於那些水點(diǎn)是非常細(xì)小并且是看不到的. 很多人誤以為這是升華作用. 升華作用是指水蒸氣沒有經(jīng)過液態(tài)的過程而直接變成冰. 當(dāng)冰晶形成后, 圍繞冰晶的水點(diǎn)會(huì)凝固并與冰晶黏在一起, 細(xì)小的冰晶會(huì)吸引更多的水點(diǎn)而逐漸長(zhǎng)成更大的冰晶. 直至二至二百個(gè)冰晶連系在一起, 形狀不同而且獨(dú)一無二的雪花便會(huì)根據(jù)大氣環(huán)境而形成. 雪粒子由天上降至地上的度快慢各異, 極小的晶體下降度近乎零, 一般雪花則以每秒一米的速度, 溶化中的雪還要快好幾倍. 每當(dāng)雪晶碰到過冷的水點(diǎn)時(shí), 它們會(huì)立刻凝固在一起, 形成的軟粒子便是雪小球, 而整個(gè)過程被稱為"蒙霜"; 在溫和的區(qū)域裏. 水分子的增加造就了冰晶的生長(zhǎng),從而形成了雪花. 它那巧奪天工的六角體成為了雪花生長(zhǎng)的奧秘, 每個(gè)雪花有著至少上億個(gè)水分子,冰晶就是從水平和垂直的方向, 生長(zhǎng)成更大更厚的晶體了. 不過, 整個(gè)過程都是有著六角對(duì)稱的特性, 確是不可思議呢! 雪花的生長(zhǎng) 雪花形成的時(shí)候, 大氣裏水氣是飽和的, 溫度則在攝氏零度以下. 微細(xì)的冰晶會(huì)漸漸圍繞著凝結(jié)核. 然后, 冰晶連結(jié)在一起而雪花亦隨之誕生. 這過程被稱為「結(jié)晶」. 在結(jié)晶過程中, 水分子會(huì)以它們的基本排列方式從液態(tài)變成固態(tài). 由於冰晶的基本模式是六角稜體, 大部份冰晶的雛形都是六角形的. 當(dāng)更多的水分子與冰晶結(jié)合后, 他們會(huì)由第一個(gè)六角形開始保持冰晶的形狀繼續(xù)向外生長(zhǎng). 雖然大部份冰晶形成時(shí)有著六邊對(duì)稱的特性, 但是它們會(huì)因應(yīng)溫度的改變而做成很多不同形狀的變化. 若溫度低於攝氏零下三十度, 六角柱體的冰晶便會(huì)形成. 典型的六角形的扁平片狀雪花會(huì)在攝氏零下十五度左右時(shí)形成. 當(dāng)溫度上升至攝氏零下五度, 無論針狀, 柱狀抑或一些不能估計(jì)的形狀的雪花便會(huì)產(chǎn)生. 由於雪層越高, 溫度越冷, 因此六角柱狀的雪花通常會(huì)在高云形成. 較低的云層通常會(huì)形成六角平面的片狀雪花, 而不同形狀的結(jié)晶會(huì)在低云中產(chǎn)生. 不過現(xiàn)實(shí)的情形更加復(fù)雜, 不為人所知呢! 雪花的大小 很多人會(huì)把雪花想像成從天而降的雪, 因此他們會(huì)假設(shè)雪花會(huì)和雪球差不多大小. 事實(shí)上, 雪花一詞是指?jìng)€(gè)別的雪晶, 而從天空降下來的雪稱為雪球, 它聚集了數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)細(xì)小雪花黏在一起. 現(xiàn)在, 你可以想像得到一個(gè)雪花有多大吧. 一般來說,雪晶的直徑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一萬個(gè)這些雪花, 有些較大的雪花直徑可能達(dá)到二厘米至四厘米( 0.79 英寸至 1.57 英寸), 但偶爾也有一些巨型的雪花，有些特別大的雪花的直徑能超過五厘米 ( 2 英寸) 和包含在數(shù)百個(gè)晶體. 不過, 要長(zhǎng)出巨大的雪花是需要完美的條件配合的. 周邊的溫度是影響雪晶大小的其中一個(gè)原因. 在攝氏零下三十六度, 雪晶很小, 只有 0.017 平方毫米. 這時(shí)它們是看不見的. 在攝氏零下二十四度, 雪晶的大小是 0.034 平方毫米. 在攝氏零下十八度, 雪花的大小增加至 0.084 平方毫米. 處?kù)稊z氏零下六度的溫度下, 它們平均有 0.256 平方毫米. 在攝氏零下三度, 雪花的大小增加至 0.811 平方毫米. 雪花的六角形狀 我們知道雪晶的六角形狀能細(xì)分為兩大類, 一是片狀, 另一類是柱狀, 我們經(jīng)?？吹奖容^美麗的雪花便是那些六邊對(duì)稱的片狀雪晶. 它們通常會(huì)在溫度介乎攝氏零下五度至零下二十度之間形成, 柱狀雪花包括了針狀和中空柱狀, 針狀雪晶在溫度介乎攝氏零度至攝氏零下五度形成; 中空柱狀在是低於攝氏零下二十度形成. 若果我們希望找出大部分冰晶是六角稜體的原因, 我們或許應(yīng)該首先了解一下水分子. 水分子是由兩個(gè)氫原子以及一個(gè)氧原子 ( 這便是我們常把水稱為H2O的原因 ) . 它們以一種很強(qiáng)的鍵--- 共價(jià)鍵, 黏合在一起. 當(dāng)液態(tài)的水分子被冷卻至凝固點(diǎn), 水分子會(huì)互相碰撞, 形成固態(tài)冰晶. 然后它們會(huì)利用氫鍵結(jié)合在一起. 若分子與分子之間結(jié)合, 便會(huì)更穩(wěn)定. 相對(duì)來說, 最穩(wěn)定的排列方式是以六角形狀把六個(gè)水分子黏在一起.這亦是為何大部份冰晶是六角形的 很多水分子從冰晶周圍黏在一起的時(shí)候, 它們大部份會(huì)黏在六角形冰晶片的角上, 此乃由於六角形的角比邊更容易吸引水分子. 因此, 角會(huì)是雪花生長(zhǎng)的起步點(diǎn)呢! 雪花的獨(dú)有性 很久以前, 一位科學(xué)家曾作一個(gè)有關(guān)雪花的研究, 他使用顯微鏡來觀察大約五千個(gè)雪花的形狀. 令他感到出奇的是, 竟然找不到任何兩個(gè)形狀完全相同的雪花. 每一個(gè)雪花都擁有自己的獨(dú)有圖案而從不重覆的. 科學(xué)家其后嘗試找出這個(gè)雪花的奧秘, 結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)雪花對(duì)於大氣環(huán)境的改變是極度敏感的. 即使氣溫或水份子飽和度出現(xiàn)微小的改變, 雪花生長(zhǎng)的圖案也可能有很明顯的改變. 在大氣裏, 氣溫和飽和度是不斷改變的. 因此我們很難找到兩個(gè)完全相同雪晶. 事實(shí)上,雪花有多尖銳能反映其生長(zhǎng)環(huán)境. 例如, 我們能夠看到一個(gè)片狀主體時(shí), 溫度大約介乎攝氏零下五度至零下二十度. 如果溫度變暖至介乎攝氏零度至五度, 針狀分支便會(huì)形成. 此外, 雪花在空氣中飄浮的時(shí)間越長(zhǎng), 圖案會(huì)越復(fù)雜.