一片雪花的誕生

非木

從根本上來說，下雪和下雨一樣，都是大氣的一種降水現象。然而，普普通通的雨滴為什么會變成千差萬別的雪花？冬日的天空里，為什么不是單純落下冰凍的雨滴？

雪花的獨特之處

雪花的特殊之處在于，它們并不是凍結的雨滴，而是由云層中的水蒸氣凝結而成。形成雪花的云層，溫度需要低于冰點，并且水分必須達到過飽和狀態，也就是說，相對濕度要超過 100%，這時云層中多余的水分子才會凝結成晶體。

在結晶的過程中，還有一個不可或缺的成分——晶核。通常來說，晶核是花粉、灰塵以及各種飄浮在空氣中的微小顆粒。當一個個水分子附著在這些顆粒周圍，便一點點地生成了雪花的晶體。

一個水分子由兩個氫原子和一個氧原子構成。氧原子帶有負電荷，氫原子帶有正電荷。多個水分子在彼此靠近時，會因正負電荷的吸引力而旋轉配對，最終形成六邊形的穩固結構。水分子的這種結合方式，決定了大多數雪晶都呈現出六邊形結構。

雪花的形成過程

開端

所有雪花都是從在空氣中飄浮的塵埃顆粒開始的。當水分子凝結在塵埃顆粒表面，就形成了微小的冰晶。

形成

當更多的水分子凝結，塵埃顆粒就長成六邊形冰晶。根據條件的不同，不同的刻面以不同的速率生長。

發展

在冰晶的拐角處，伸出了6個“手臂”。當溫度繼續下降，雪花“手臂”的末端會進一步變細、變窄。

飄落

當雪花飄落時，周圍空氣的加熱和冷卻，都會讓它以不同的方式生長和變化，形成不同的形狀。

智鏈接

凍雨、冰雹、霰，傻傻分不清

有時候，天空中真的會落下冰凍的雨滴，按照情形的不同，還可歸為不同的天氣現象。比如降落時是雨滴，落地后迅速結冰，就叫作“凍雨”。要是落地前已經凝結成冰，體積小的叫“冰珠”，體積大的叫“冰雹”。如果降落的是水滴和雪花的混合物，那么當水滴溫度高于零攝氏度時，叫作“霙（yīng）”；當水滴溫度低于零攝氏度時，叫作“霰”。霰通常出現在高緯度地區，如我國的吉林、黑龍江等地，有時會形成優美的霧凇。

千姿百態“六出花”

我國古人早就發現了雪花的六邊形特征，并以“六出”作為雪花的代稱。南北朝時，徐陵在《詠雪》詩中贊美：“三晨喜盈尺，六出儛崇花。”《太平御覽》引用《韓詩外傳》的語句：“凡草木花多五出，雪花獨六出。”

古人觀察到了雪花的美麗，卻不知道那六出的獨特造型從何而來。直到最近一百多年自然科學研究的突飛猛進，才揭開了雪花的面紗。

威爾遜·本特利從 1885年開始拍攝的幾千幅顯微照片，讓人們認識到雪花形態的千差萬別。1912年X射線衍射技術的出現，揭示出冰雪的六邊形晶體結構。與此同時，水分子的 V 形結構和氫鍵的發現，加深了研究者們對于晶體結構的理解。

然而，研究者們仍然面臨著一個棘手的問題：同樣都是六邊形的結構，為什么每一片雪花的形態都不一樣呢？

云譎波詭生成路

20 世紀 30年代，日本物理學家中谷宇吉郎通過一系列科學實驗，發現雪晶的形態與其形成過程中周圍環境的溫度和濕度密切相關。比如，在零下 2 攝氏度時，會出現薄板狀晶體；到零下 5 攝氏度左右，細長的針狀是主要形狀；降至零下 15 攝氏度時，會出現又大又薄的板狀晶體；而到了零下25 攝氏度以下，則主要生成短柱狀晶體。他發現，在同等溫度條件下，濕度較低時，晶體生長較慢，會出現簡單的棱柱狀晶體；而當濕度較大時，晶體生長速度加快，結構更復雜。

設計雪花的形狀

樹突狀

最容易辨認的雪晶，名字來自它樹枝狀的外觀。它很容易出現在你的衣袖上。生長的氣溫嘛，相當低，大約在零下 15 攝氏度。

柱狀和針狀

細長的柱子兩端有圓錐形的空心區域。大約在零下 6 攝氏度生成。

帶蓋柱狀

形狀有點像線軸。它先在約零下 6 攝氏度形成柱子，然后在約零下 15 攝氏度長出末端的板。

蕨類樹突

形狀和樹突狀雪晶相似，但更大，“葉子”更多，而且有許多類似于蕨類植物分支的側枝。

金剛石板

它是最小的雪晶，基本的冰晶形狀是六棱柱。它在嚴寒的天氣里最常見。

三角形

它通常很小，形狀像截斷的三角形。有時，6個角上還會發出“芽”來。

十二枝

如果兩顆小小的六枝雪晶在半空中相遇、碰撞，它們可能會粘在一起，變成十二枝雪花。

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雪花形態的差別大到什么程度

單單從雪花的外形分類來看，就能窺見一斑。研究者們對于雪花的分類，最早是 41 種，隨著時間的推移，逐漸增加到 60 種、70 種，最多時達到108種。21 世紀初，物理學家肯尼思·利布萊希特將雪花的分類精簡到 35 種，并獲得了廣泛的認可。

在這 35 個類型中，絕大部分雪花的形態都是在六邊形的基礎上發展變化。即便是柱形雪花，也多是以六邊形為基礎的六角棱柱。

這些關于雪花的冷知識，你知道嗎

世界上最小的雪花

最小的雪花，其晶體大小不超過人類頭發絲的直徑。它們又小又輕，通常懸浮在空氣中，在陽光下像是閃閃發光的灰塵。因此，它們有一個美麗的名字——鉆石塵。

鉆石塵常見于極度寒冷的環境中，比如南極洲。

世界上最大的雪花

據吉尼斯世界紀錄，最大的雪花發現于1887年1月28 日，地點是美國蒙大拿州的基奧堡。經測量，它有 38厘米寬、20 厘米厚。

有研究者認為，它可能是許多雪花的聚合體。而通常意義上的單晶體雪花，觀測到的最大寬度約為 10 厘米（從一個尖端到另一個尖端的尺寸）。

雪花的下落速度

雪花下落的速度在每秒0.3 米至 1.8 米之間。相比之下，雨滴的平均下落速度約為每秒 9.8 米。雪花墜落得如此之慢，其主要原因是自身重量較輕，而表面積較大。此外，雪花常常會被卷入上升氣流，因此，它們的墜落過程就更顯得紛紛揚揚、飄忽不定。

雪花是透明的

如果擷取一片雪花，放到顯微鏡下觀察，你會發現它其實是透明的。

然而，雪看上去卻是白色的。那是因為光線經過了微小冰晶的多重反射，光譜中的每一種顏色都被均勻地分散出來。當傳入人們的眼睛時，各種顏色的光又混合在一起，于是呈現出白色。

想象一下那水汽升騰、云譎波詭的云層，可以說，在每一個分子的位置上，溫度和濕度都不盡相同。不計其數的水分子和微小晶核，又時時刻刻隨風飄蕩、四處翻飛，于是，溫度和濕度的變化就會更加劇烈，而在晶體上，水分子積聚的位置就更加不可預測。沒有任何兩片雪花會在空中飄過同樣的路線，也沒有任何兩片雪花會生成完全一樣的形態。

理解了雪花的形成機制，科學家很快就在實驗室中造出了世界上第一片人造雪花。

今天，科學家們已經可以輕松地在儀器上設定溫度、濕度等參數，來制造某種特定形態的雪花，甚至還可以在計算機上建立數據模型，來生成模擬雪花。而這一切，正與前代科學家們的研究一脈相承。