寂寞為看不到雪的廈門帶一點關于雪的科學掃盲

寂寞森林

呵呵。。下面開始。。
　　雪花形成的全過程
　　什麼是雪？

　　水是地球上各種生靈存在的根本，水的變化和運動造就了我們今天的世界。在地球上，水是不斷迴圈運動的，海洋和地面上的水受熱蒸發到天空中，這些水汽又隨著風運動到別的地方，當它們遇到冷空氣，形成降水又重新回到地球表面。這種降水分為兩種：一種是液態降水，這就是下雨；另一種是固態降水，這就是下雪或下冰雹等。

　　水汽循環圖表

　　

　　大氣裡以固態形式落到地球表面上的降水，叫做大氣固態降水。雪是大氣固態降水中的一種最廣泛、最普遍、最主要的形式。大氣固態降水是多種多樣的，除了美麗的雪花以外，還包括能造成很大危害的冰雹，還有我們不經常見到的雪霰和冰粒。

　　由於天空中氣象條件和生長環境的差異，造成了形形色色的大氣固態降水。這些大氣固態降水的叫法因地而異，因人而異，名目繁多，極不統一。為了方便起見，國際水文協會所屬的國際雪冰委員會，在徵求各國專家意見的基礎上，於1949年召開了一個專門性的國際會議，會上通過了關於大氣固態降水簡明分類的提案。這個簡明分類，把大氣固態降水分為十種：雪片、星形雪花、柱狀雪晶、針狀雪晶、多枝狀雪晶、軸狀雪晶、不規則雪晶、霰、冰粒和雹。前面的七種統稱為雪。為什麼後面三種不能叫做雪呢？原來由氣態的水汽變成固態的水有兩個過程，一個是水汽先變成水，然後水再凝結成冰晶；還有一種是水汽不經過水，直接變成冰晶，這種過程叫做水的凝華。所以說雪是天空中的水汽經凝華而來的固態降水。（右圖為十種大氣固態降水示意圖，從上向下分別為：雪片、星形雪花、柱狀雪晶、針狀雪晶、多枝狀雪晶、軸狀雪晶、不規則雪晶、霰、冰粒、雹）。

　　十種大氣固態降水示意圖

　　

　　雪的近親家族

　　霰

　　夏天，在高山地區，天空裡經常有許多過冷水滴圍繞著結晶核凍結，形成了一種白色的沒有光澤的圓團形顆粒，氣象學上把這種東西叫做霰，許多地方口語稱它為米雪或雪霰。霰的直徑一般在0.3到2.5毫米之間，性質鬆脆，很容易壓碎。霰不屬於雪的範疇，但它也是一種大氣固態降水。

　　冰粒和冰雹

　　夏天，在北方平原地區，常常會遇到另外兩種大氣固態降水，這就是冰粒和雹。冰粒和雹是比較大的能夠流淌的水滴圍繞著凝結核一層又一層地凍結而形成的半透明的冰珠。氣象學上把粒徑不超過5毫米的叫做冰粒，把粒徑超過5毫米的叫做冰雹。冰雹給農業生產帶來很大危害。據記載，世界上最大的冰雹，比拳頭還大，直徑超過十釐米，重量超過一公斤。

　　冰 雹

　　

　　

　　霜、雨淞和霧淞

　　除了大氣固態降水之外，地面上還經常出現另一種所渭“地表生長型”的固態降水，這就是霜、雨淞和霧淞。

　　雨 淞

　　

　　

　　這些固態降水，雖不屬於大氣固態降水，僅僅是水汽在地表凝華結晶和凍結而形成的。但這些固態降水，對人類的生產活動也影響較大。霜凍是大家比較熟悉的，它經常讓農業減產。為了避免霜害，人們付出了艱巨的勞動。雨淞和霧淞對人類也並不是很友好的，它們一般在高山地帶出現。在過冷天氣裡，微小的雨滴或霧滴碰到劇烈冷卻的物體表面時，便在上面形成雨淞和霧淞。

　　霧 淞

　　

　　霧 淞

　　

　　雪花是怎樣形成的

　　在天空中運動的水汽怎樣才能形成降雪呢？是不是溫度低於零度就可以了？不是的，水汽想要結晶，形成降雪必須具備兩個條件：

　　一個條件是水汽飽和。空氣在某一個溫度下所能包含的最大水汽量，叫做飽和水汽量。空氣達到飽和時的溫度，叫做露點。飽和的空氣冷卻到露點以下的溫度時，空氣裡就有多餘的水汽變成水滴或冰晶。因為冰面飽和水汽含量比水面要低，所以冰晶生長所要求的水汽飽和程度比水滴要低。也就是說，水滴必須在相對濕度（相對濕度是指空氣中的實際水汽壓與同溫度下空氣的飽和水汽壓的比值）不小於100%時才能增長；而冰晶呢，往往相對濕度不足100%時也能增長。例如，空氣溫度為-20℃時，相對濕度只有80%，冰晶就能增長了。氣溫越低，冰晶增長所需要的濕度越小。因此，在高空低溫環境裡，冰晶比水滴更容易產生。

　　另一個條件是空氣裡必須有凝結核。有人做過試驗，如果沒有凝結核，空氣裡的水汽，過飽和到相對濕度500%以上的程度，才有可能凝聚成水滴。但這樣大的過飽和現象在自然大氣裡是不會存在的。所以沒有凝結核的話，我們地球上就很難能見到雨雪。凝結核是一些懸浮在空中的很微小的固體微粒。最理想的凝結核是那些吸收水分最強的物質微粒。比如說海鹽、硫酸、氮和其它一些化學物質的微粒。所以我們有時才會見到天空中有雲，卻不見降雪，在這種情況下人們往往採用人工降雪不在天空裡凝結的雪花

　　雪都是從天空中降落下來的，怎麼會有不是在天空裡凝結的雪花呢?

　　1773年冬天，俄國彼得堡的一家報紙，報導了一件十分有趣的新聞。這則新聞說，在一個舞會上，由於人多，又有成千上百支蠟燭的燃燒，使得舞廳裡又熱又悶，那些身體欠佳的夫人、小姐們幾乎要在歡樂之神面前昏倒了。這時，有一個年輕男子跳上窗臺，一拳打破了玻璃。於是，舞廳裡意想不到地出現了奇跡，一朵朵美麗的雪花隨著窗外寒冷的氣流在大廳裡翩翩起舞，飄落在悶熱得發昏的人們的頭髮上和手上。有人好奇地沖出舞廳，想看看外面是不是下雪了。令人驚奇的是天空星光燦爛，新月銀光如水。

　　那麼，大廳裡的雪花是從哪兒飛來的呢？這真是一個使人百思不解的問題。莫非有人在耍什麼魔術？可是再高明的魔術師，也不可能在大廳裡耍出雪花來。

　　後來，科學家才解開了這個迷。原來，舞廳裡由於許多人的呼吸飽含了大量水汽，蠟燭的燃燒，又散佈了很多凝結核。當窗外的冷空氣破窗而入的時候，迫使大廳裡的飽和水汽立即凝華結晶，變成雪花了。因此，只要具備下雪的條件，屋子裡也會下雪的

　　雪花的基本形狀

　　下雪時的景致美不勝收，但科學家和工藝美術師讚歎的還是小巧玲瓏的雪花圖案。遠在一百多年前，冰川學家們已經開始詳細描述雪花的形態了。

　　西方冰川學的鼻祖丁鐸耳在他的古典冰川學著作裡，這樣描述他在羅紮峰上看到的雪花：“這些雪花……全是由小冰花組成的，每一朵小冰花都有六片花瓣，有些花瓣象山蘇花一樣放出美麗的小側舌，有些是圓形的，有些又是箭形的，或是鋸齒形的，有些是完整的，有些又呈格狀，但都沒有超出六瓣型的範圍。”

　　在我國，早在西元前一百多年的西漢文帝時代，有位名叫韓嬰的詩人，他寫了一本《韓詩外傳》，在書中明確指出，“凡草木花多五出，雪花獨六出。”

　　

　　雪花的基本形狀是六角形，但是大自然中卻幾乎找不出兩朵完全相同的雪花，就象地球上找不出兩個完全相同的人一樣。許多學者用顯微鏡觀測過成千上萬朵雪花，這些研究最後表明，形狀、大小完全一樣和各部分完全對稱的雪花，在自然界中是無法形成的。

　　在已經被人們觀測過的這些雪花中，再規則勻稱的雪花，也有畸形的地方。為什麼雪花會有畸形呢?因為雪花周圍大氣裡的水汽含量不可能左右上下四面八方都是一樣的，只要稍有差異，水汽含量多的一面總是要增長得快一些。

　　世界上有不少雪花圖案搜集者，他們象集郵愛好者一樣收集了各種各樣的雪花照片。有個名叫賓特萊的美國人，花了畢生精力拍攝了近六千張照片。蘇聯的攝影愛好者西格尚，也是一位雪花照片的攝影家，他的令人銷魂的作品經常被工藝美術師用來作為結構圖案的模型。日本人中谷宇吉郎和他的同事們，在日本北海道大學實驗室的冷房間裡，在日本北方雪原上的帳篷裡，含辛茹苦二十年，拍攝和研究了成千上萬朵的雪花。

　　但是，儘管雪花的形狀千姿百態，卻萬變不離其宗，所以科學家們才有可能把它們歸納為前面講過的七種形狀。在這七種形狀中，六角形雪片和六棱柱狀雪晶是雪花的最基本形態，其它五種不過是這兩種基本形態的發展、變態或組合。

　　

　　雪花為什麼是六角形的？

　　早在西元前的西漢時代，《韓詩外傳》中就指出：“凡草木花多五出，雪花獨六出。”雪的基本形狀是六角形。但在不同的環境下，卻可表現出各種樣的形態。

　　世界上有不少雪花圖案收集者，他們收集了各種雪花圖案。有人花了畢生精力拍攝了成千上 萬張雪花照片，發現將近有六千種彼此不同的雪花，但他死前認為這不過是大自然落到他手中的少部分雪花而已。以致於有人說沒有兩朵大小和形狀完全相同的雪花。

　　為什麼雪花的基本形態是六角形的片狀和柱狀呢?

　　這和水汽凝華結晶時的晶體習性有關。水汽凝華結晶成的雪花和天然水凍結的冰都屬於六方晶系。我們在博物館裡很容易被那純潔透明的水晶所吸引。水晶和冰晶一樣，都是六方晶系，不過水晶是二氧化矽（SiO2）的結晶，冰晶是水（H2O）的結晶罷了。

　　六方晶系具有四個結晶軸，其中三個輔軸在一個基面上，互相以60o的角度相交，第四軸(主晶軸)與三個輔軸所形成的基面垂直。六方晶系最典型的代表就像是幾何學上的一一個正六面柱體。當水汽凝華結晶的時候，如果主晶軸比其它三個輔軸發育得慢，並且很短，那麼晶體就形成片狀；倘若主晶軸發育很快，延伸很長，那麼晶體就形成柱狀。雪花之所以一般是六角形的，是因為沿主晶軸方向晶體生長的速度要比沿三個輔軸方向慢得多的緣故。

　　幾種主要雪花晶體的構造示意圖

　　

　　千姿百態的雪花

　　對於一片六角形雪片來說，由於它表面曲率不等(有凸面、平面和凹面)，各面上的飽和水汽壓力也不同，因此產生了相互間的水汽密度梯度，使水汽發生定向轉移。水汽轉移的方向是凸面→平面→凹面，也就是從曲率大的表面，移向曲率小的表面。六角形雪片六個棱角上的曲率最大，邊棱部分的平面次之，中央部分曲率最小。這樣，就使六角形雪片一直處在定向的水汽遷移過程中。由於棱角上水汽向邊棱及中央輸送，棱角附近的水汽飽和程度下降，因而產生昇華現象。中央部分由於獲得源源不斷的水汽而達到冰面飽和，產生凝華作用。這種凝華結晶的過程不斷進行，六角形雪片逐漸演變成為六棱柱狀雪晶

　　這是假定外部不輸送水汽的理想狀況。事實上，事物與周圍環境保持著密切的聯繫，空氣裡總是或多或少存在著水汽的。如果周圍空氣輸人水汽較少，少到不夠雪片的棱角向中央輸送水汽的數量，那麼雪片向柱狀雪晶的發展過程繼續進行。在溫度很低水汽很少的高緯和極地地區，便因為這個原因經常降落柱狀雪晶。

　　空氣裡水汽飽和程度較高的時候，出現另外一種情況。這時周圍空氣不斷地向雪片輸送水汽，使雪片快速地發生凝華作用。凝華降低了雪片周圍空氣層中的水汽密度，反過來又促進外層水汽向內部輸送。這樣，雪片便很快地生長起來。當水汽快速向雪片輸送的時候，六個頂角首當其衝，水汽密度梯度最大。來不及向雪片內部輸送的水汽，便在頂角上凝華結晶；這時，頂角上會出現一些突出物和枝杈。這些枝叉增長到一定程度，又會分叉。次級分叉與母枝均保持60的角度，這樣，就形成了一朵六角星形的雪花。

　　在高山或極地的晴朗天氣裡，還可見到一種冰針，象寶石一樣閃爍著瑰麗的光彩，人們把它叫做鑽石塵。冰針的生長有二種情況：一種是在嚴寒下(-30℃以下)濕度很小時水汽自發結晶的結果，另一種是在溫度較高(-5℃左右)濕度較大時沿著雪片某一條輔軸所在的頂角特別迅速生長的產物，是雪花的畸形發展。

　　形形色色的雪花晶體在天空生成後，當它們的直徑達到50微米時，便能克服空氣的浮力而開 始作明顯的下降運動，一邊飄逸下降一邊繼續生長變化。這樣一來，便產生了形式紛紜繁多的雪花。我們只要把它們接納在黑呢子或黑天鵝絨上，就能用肉眼初步辨別出它們的形態來。

　　雪花有多大

　　詩人李白在形容燕山雪花時有一句著名詩句：“燕山雪花大如席”。雪花真的有那麼大嗎？其實，雪花是很小的。不要說“大如席”的雪花科學史上沒有記錄，就是“鵝毛大雪”，也是不容易遇到的。

　　事實上，我們能夠見到的單個雪花，它們的直徑一般都在0.5～3.0毫米之間。這樣微小的雪花只有在極精確的分析天平上才能稱出它們的重量，大約3000～10000個雪花加在一起才有一克重。有位科學家粗略統計了一下，一立方米的雪裡面約有60～80億顆雪花，比地球上的總人口數還要多。

　　雪花晶體的大小，完全取決於水汽凝華結晶時的溫度狀況。在非常嚴寒時形成的雪晶很小，幾乎看不見，只有在陽光下閃爍時，人們才能發現它們象金剛石粉末似地存在著。

　　據研究，溫度對雪晶大小存在影響：當氣溫為-36℃時，雪晶的平均面積是0.017平方毫米；當氣溫為-24℃時，平均面積是0.034平方毫米；氣溫為-18℃時，平均面積是0.084平方毫米，-6℃時，為0.256平方毫米，氣溫在-3℃時，雪晶的平均面積增大到0.811平方毫米。

　　人們有種錯誤的感覺，這種感覺常常是從有些文學作品描寫天氣嚴寒時，喜歡用“鵝毛大雪”來形容。其實，“鵝毛大雪”是氣溫接近0℃左右時的產物，並不是嚴寒氣候的象徵。相反，雪花越大，說明當時的溫度相對比較高。三九嚴寒很少出現鵝毛大雪，只有在秋末初冬或冬末初春時，才有可能下鵝毛大雪。所謂的鵝毛大雪，其實並不是一顆雪花，而是由許多雪花粘連在一起而形成的。單個的雪花晶體，直徑最大也不會超過10毫米，至多象我們指甲那樣大小，稱不上鵝毛大雪。

　　在溫度相對比較高的情況下，雪花晶體很容易互相聯結起來，這種現象稱為雪花的併合。尤其當氣溫接近0℃，空氣比鉸潮濕的時候，雪花的併合能力特別大，往住成百上千朵雪花並合成一片鵝毛大雪。因此，嚴格地說，鵝毛大雪並不能稱為雪花，它僅僅是許多雪花的聚合體而已。

　　雪花晶體的大小

　　

　　人工降雪

　　自古以來，老天爺一直是高興下雪就下雪，不高興就不下。有沒有辦法使老天爺根據人類的需要，讓它下雪就下雪呢?

　　辦法是有的，這就是人工降雪。

　　天上的水汽要變成雨雪降下來必須具備兩個條件，一個是必須有一定的水汽飽和度（主要與溫度有關），另一個是必須有凝結核。因此，人工降雪首先必須天空裡有雲，沒有雲就象巧婦難做無米之炊一樣，下不了雪。能下雪的雲，棸0℃以下的“冷雲”。在冷雲裡，既有水汽凝結的小水滴，也有水汽凝華的小雪晶。但它們都很小很輕，倘若不存在繼續生長的條件，它們只能象煙霧塵埃一樣懸浮在空中，很難落下來。我們在冬天裡經常能看到大塊大塊的雲彩，就是不見雪花飄下來，因為組成這些雲彩的雪晶太小，克服不了空氣的浮力，降水能力很差。如果在雲層裡噴撒一些微粒物質，促進雪晶很快地增長到能夠克服空氣的浮力降落下來，這就是人工降雪的功勞。

　　噴撒什麼物質能夠促使雪晶很快增長呢? 早期，人們各顯神通採用過許多有趣的方法。這些方法主要有：在地面上縱火燃燒，把大量煙塵放到天空裡；用大炮襲擊雲層；利用風箏高飛雲中，然後在風箏上通電，閃放電花；乘坐飛機鑽進雲層噴灑液態水滴和塵埃微粒。但是，這些方法的效果都很不理想。 直到1946年，人們才發現把很小的乾冰微粒投入冷雲裡，能形成數以百萬計的雪晶。當年1l月3日，有人在飛機上把乾冰碎粒撒到溫度為-20℃的高積雲頂部，結果發現雪從這塊雲層中降落下來。

　　這裡所說的乾冰不是由水凍結的冰，而是二氧化碳的固體狀態，很象冬天壓結實的雪塊。乾冰的溫度很低，在-78.5℃以下。把乾冰晶體象天女散花似地噴撒在冷雲裡，每一顆二氧化碳晶體都成為一個劇冷中心，促使冷雲裡的水汽、小水滴和小雪晶很快地集結在它的周圍，凝華成較大的雪花降落下來。

　　現在常用碘化銀來人工降雪。碘化銀是一種黃顏色的化學結晶體，平時作為照相材料裡的感光劑使用。碘化銀的晶體與雪晶的六角形單體尺寸非常相似，它們單體裡的原子排列也十分近似，兩者的晶格間距也很接近(碘化銀是4.58埃，雪晶是4.52埃)。因此，把碘化銀微粒撒在降水能力較差的雲層裡，使它“冒名”頂替雪晶，便能讓雲中的水汽和小水滴在“冒名”的晶體上凝華結晶，變成雪花。

　　怎樣把這些凝結核散佈到雲層中呢？現代人大多使用大炮，把化學藥品裝在炮彈裡，然後用大炮發射到雲層裡去的。不過這種方法噴撒不均勻，藥品浪費較大，增加了人工降雪的成本。還有人把它們裝在土火箭裡，讓火箭飛到雲裡去噴撒。

　　一般來說，人工降雪比人工降雨的成功率更大。人工降雨可以增加大約20%的雨量，而在高山高寒地區，人工降雪卻能增加30～40%的降水量。這是因為高山高寒地區，溫度低，水汽容易達到飽和狀態，同時，雪晶比雨滴更容易形成。只要人工給大氣增加一些結晶核，比較容易促進降雪。

　　雪花的顏色

　　人們經常用“像雪一樣白”來形容一個物體很白，雪都是白色的嗎？

　　1969年12月24日，北歐斯堪的納維亞半島上的瓦騰湖附近下起了雪。到了傍晚，雪越下越稠，顏色也不象白的了。因為是晚上，沒有引起人們的注意。可是當地居民們早上起床後向外一望，不由得吃驚地吐出舌頭，他們看到的竟是一片黑雪。那種油膩的好象糖炒栗子鍋裡炒黑了的砂子似的黑雪，粘在衣服上，把衣服都染髒了。瑞典首都斯德哥爾摩生態中心的科學家們聞訊後趕到現場調查，發現雪裡包含有許多工業污染物質，其中有大量殺蟲劑。

　　人類文明史上，有文字記載的天空下黑雪的怪事，自然不只這一次。在十九世紀，英國的蘇格蘭曾經下過幾次黑雪。那時候蘇格蘭的工廠裡，燃燒的是黑煙沖天的煙煤，大量的煤煙和塵粒聚集在空中，有時就粘附在雪花上，把雪染黑了。1897年11月9日，在俄國的彼得堡也下過一次有趣的黑雪。這些黑雪的粘附物不是殺蟲劑，也不是煤煙，而是象小螞蟻一樣的小昆蟲。億萬個黑色的小昆蟲躲藏在雪花上，與雪花一起飄落下來，好象撒了煤粉似的黑乎乎的一片。人在雪地裡踩一個腳印，不久腳印裡便聚集了更多的小昆蟲，腳印變得更黑了。

　　既然天空中下過黑雪，有沒有下過其它顏色的雪呢？

　　當然有。在紅海一帶，歷史上多次記載有血雨。血雨就是下紅色的雨。可惜那裡溫度高，很少下雪。不然，有關紅雪的記載一定會出現的。世界是多麼廣闊，其它地方真有下過紅雪的。我國冰川學家在西藏東南部察隅地區研究冰川時，曾遇到過紅雪。這是因為印度洋西南季風有時帶來很多非常細小的紅色水藻，這些紅藻附在雪花上降落下來，把雪映得紅豔豔的，好象天女撒落的紅色花瓣。

　　還有黃色的雪。我國天山東段和阿爾泰山上，有時飄落下來的雪花是帶著黃顏色的。雪花之所以變成黃色，是因為它們身上夾雜有從沙漠裡卷揚起來的黃色沙塵的緣故。歐洲阿爾卑斯山上，也下過黃雪。撒哈拉大沙漠的黃塵，從空中越過地中海，把那裡的雪花染黃了。根據以上情況，文學上的“象雪一樣白”的比喻，有時候在科學上不一定適用。即使是最乾淨的雪，當它們降落到地面後，也會隨著它本身的結構而具有特殊的顏色。比方說剛降下的鬆軟的雪，常常具有淡淡的藍顏色；被風吹得密實的細雪，閃爍著銀子般的光澤；在冰川上，由粗細粒雪組成的老雪，表面是淡灰色的，而在深處則呈現出淡綠色

　　人工降雪

　　

lulujian

图不错
其它的嘛```我只要知道厦门是不会下雪的就好了;P