又到了全國各地約好了下雪的季節(jié)，你那里下雪了嗎？

雪花紛紛揚揚地落下，讓人不禁想起了《世說新語》中記載東晉名臣謝安的那靈魂一問：“白雪紛紛何所似？”

自古人們就喜歡用美好的詞匯來比喻雪，雪花像鹽巴、像白糖、像鵝毛......

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如果你專門留意過，會發(fā)現(xiàn)大部分雪花都是六瓣狀。

雪花都是六瓣的嗎？雪落下的時候，為什么會形成這個形狀？有兩片相同的雪花嗎？這就要從雪花的形成過程說起。

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雪花的形成：

冰晶主軸與輔軸的“賽跑”

早在西漢時期就有人總結道：“凡草木花多五出，雪花獨六出”。

而現(xiàn)在，借助于先進的攝影技術我們能夠觀察到，雪花的形狀各異，但大部分都是六瓣狀。

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雪花的本質(zhì)是冰晶，冰晶是水汽在冰核上凝華增長而形成的固態(tài)水合物，是雪花形成時的必要介質(zhì)，可以看作是幼年期的雪花。

隨著冰晶的長大，多姿多樣的雪花也就形成了。

諺語里面有句“下雪不冷化雪冷”，說的就是空氣中的水分遇冷放熱凝結成冰晶，而雪融化的時候會吸熱變成水，所以會使下雪的時候氣溫高于化雪的時候。

雪花不會自己憑空產(chǎn)生，它必須依托同溫層以下空氣中一顆顆肉眼看不到的微塵粒子做“晶核”。

晶核是以一些塵埃為中心，與氣態(tài)水分子一起在較低的溫度下形成的一個物質(zhì)集團，就像磁石一樣，能夠不斷吸附周圍的氣態(tài)的水分子過來。

讓水分子圍著它一層又一層地凝結、不斷生長變大為固態(tài)，完成相變。

晶核生長的形狀有兩種趨勢：一種是長而細的六棱柱形柱晶，有時它也會兩頭尖尖，有如一根針，我們稱其為“針晶”；

另一種是很薄的，就像用小刀切下來的薄皮狀鉛筆屑一樣的六邊形片晶。

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為何晶核會朝著兩種不同的方向生長呢？這就要追溯到冰晶的結構。

冰晶和其他一切晶體一樣，其最基本的性質(zhì)就是具有規(guī)則的幾何外形。

為了便于確定晶面各晶棱在晶體上的位置，我們?nèi)藶榈匕凑找欢ㄒ?guī)則選擇一個坐標軸，并稱之為晶軸。

在晶體中有一種叫做六方晶系，它有四根晶軸，即一根豎直軸和三根水平軸。

和我們在博物館見到的水晶類似，冰晶也屬于六方晶系，同樣具有四個結晶軸，分為三個輔晶軸和一個主晶軸。

其中三個輔晶軸互相以 60° 的角度相交形成一個基面上，主軸垂直于此基面。下面這張圖可以幫助大家理解冰晶的結構：

冰晶的晶軸，圖片來源：維基百科

當水汽凝結成冰晶時，而且當主軸比輔軸凝結得快，發(fā)育得很長的時候，冰晶就形成柱狀；

相反，如果主軸比輔軸凝結得慢，那么冰晶就呈現(xiàn)片狀。

常見的雪花大部分是六角形，就是冰晶沿主軸生長速度比其他三個輔軸生長速度慢得多而導致的。

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冰晶主軸的凝結

受這些因素的影響

在了解冰晶的生長機制后，我們再看看影響雪花主軸生長速度的因素。雪花主軸生長主要受溫度和濕度的影響。

首先，溫度會影響冰晶的凝結速度。

溫度特別低的時候，冰晶沒有生長的機會，就會形成很小的雪晶，單個冰晶甚至很難被肉眼直接觀察。

在零下 30℃ 時，冰晶會凝結成針狀，而接近 0℃ 時，雪花的基面大多會生長為六邊形。

其次，濕度也會對凝結速度產(chǎn)生影響。

濕度主要由云層中的水汽含量決定，如果空氣濕度比較低，那么冰晶生長得就會很慢，大多會形成柱晶、針晶和片晶三種基本形狀，例如片狀、粉末狀雪花；

而當空氣濕度較高的時候，冰晶在生長的時候就會發(fā)生形狀的變化，比如形成我們熟悉的星形雪花。

這樣我們就可以梳理一下雪花的形成過程了。

前文已經(jīng)提到，冰晶是由空氣中的水汽凝結形成的，在冰晶生長的時候，會消耗周圍的水汽，導致冰晶周圍的水汽濃度下降。

水汽向冰晶所在處擴散，新的水汽首先遇到冰晶的突出和角棱部分并在此凝結，使冰晶得到增長，并使突出部分逐漸成長為枝杈狀。

之后，因為相同的原因在枝杈和角棱處長出新的枝杈和角棱，逐漸形成我們熟悉的星狀雪花。

在上述理論支撐下，星狀雪花的相對部位應當是對稱的，形狀、大小應該是相同的。

但在大氣中，雪花不會向上述那樣有序地生長，而會受到氣流、空氣成分等的影響，形狀也不會那么規(guī)則。

此外，冰晶在形成過程中是在不斷運動的，所處的溫度和濕度不斷變化，會從適宜于形成這種形狀的環(huán)境降到適宜于形成另一種形狀的環(huán)境。

比如雪花各個部位接觸到的水汽有所不同，接觸水汽多的地方生長得快、少的地方生長得慢，于是便形成了各種不同的雪花形狀。

此外，科學家通過實驗表明，在只有水蒸氣的真空空間里形成的冰晶幾乎都是單三棱柱體，這表明空氣中的其他氣體也會影響雪花的形成。

圖片來源：http://www.snowcrystals.com

03

“鵝毛大雪”

原來是這樣形成的

單個雪花的形狀就已經(jīng)是多種多樣的了，而在雪花下降的過程中，各個雪花也有可能相互合并形成更大的雪花。

這可能是因為碰撞摩擦生熱沾附在一起，可能是雪花上有水膜借由表面張力而沾合，也有可能是雪花自身形狀復雜有枝杈，相互“手拉手”形成的。

從天上來到人間的路途很長，在條件適合時，雪花可以經(jīng)多次攀連并合而變得很大，我們所說的“鵝毛大雪”、“柳絮因風起”就是經(jīng)過多次并合而成的，人類曾觀測到的最大的雪花直徑有 38 厘米。

當然，粘連的過程中也可能會導致部分雪花破碎，也就形成了一些畸形的雪花。

不過有一點需要注意，雪花非常輕，五千朵到一萬朵雪花才有一克重，遠遠輕于鵝毛，所謂“鵝毛大雪”是一種略微夸張的說法。

雪花可不是“美麗的廢物”，它的用處大著呢！

我們的先輩們給了雪很多的美稱，諸如“玉龍”“玉塵”“銀栗”，表達了對雪之美的喜愛，也有“冬天麥蓋三層被，來年枕著饅頭睡”的農(nóng)諺，描述了雪對農(nóng)業(yè)發(fā)展的貢獻

雪花既能起到保溫作用，又能為農(nóng)作物來年的生長提供水分，也難怪有“瑞雪兆豐年”的美譽。

與此同時，雪花也帶給了科學家很多的啟發(fā)。

一方面，雪花被稱為“來自天空的信使”，日本物理學家中谷宇吉郎博士就曾查明，千差萬別的雪的結晶形式取決于高空氣溫高低和水蒸氣的多少，可以推斷大氣的狀況。

另一方面，雪花的本質(zhì)是冰晶，而冰晶的脆弱和短暫性使它們成為了科學研究的一個挑戰(zhàn)性對象。

早在 17 世紀，德國科學家和博學大師約翰尼斯·開普勒就開始思考雪花的結構，而后來者也在不斷探究冰晶形狀的影響原因，推動了原子物理學的不斷發(fā)展。

時至今日，仍有專門的研究人群致力于冰晶生長的本質(zhì)。

我們雖不完全明晰冰晶生長的干擾因素，但相關方面的探索在凝聚態(tài)物理方面有了一定的突破；

并對藥物分子、半導體芯片、太陽能電池以及無數(shù)其他涉及到了高質(zhì)量晶體的生長過程應用起到了積極作用。

雪晶的生長模型，圖片來源：維基百科

紛紛揚揚的雪花像一群精靈一樣，既給人間增添別樣的風采，也蘊含著大自然的奧妙，等待著我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

出品｜科普中國

作者｜李瑱 中國科學院大學長春光學精密機械與物理研究所

監(jiān)制｜中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心

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