雪花是怎樣形成的?
雪花形成的條件:
天空中的云是由無數的水蒸氣和小水點所組成。在內陸上的云層,大部分的小水點的直徑要比千分之四毫米還要少!可能很多人會認為水是在攝氏零度時凝結成冰,但其實這個說法并不完全正確, 以下是大部分科家相信雪花形成的基本條件：
(相關資料圖)
在一般的情況下,水點并不會互相黏在一起,它也需要一些基本條件配合。首先,大氣里需要有著大量的水點,是要令大氣飽和;同時,大氣溫度要徘徊在水凝結的溫度 ,也即是攝氏零度。不過,純正的水點并不會在這溫度下凝固,這是因為水點里沒有包含一種名為凝固核的粒子。這種凝固核通常會在攝氏零下十度形成,并會被水點所包圍和凝固。在天空中,水點需要黏附在一些物質才能凝固,大氣里最容易找到的應該是塵埃了,不過煙霧甚至細菌也可以作為所需的凝結粒子呢!
曾經有一班蘇聯人對雪花進行了研究,結果也支持了以上的說法。他們使用飛機在天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 (凝結核),證實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:
當凝結核在攝氏零度以下時,水點便會開始凝結成冰晶。由于那些水點是非常細小并且是看不到的,很多人誤以為這是升華作用。升華作用是指水蒸氣沒有經過液態的過程而直接變成冰。
當冰晶形成后,圍繞冰晶的水點會凝固并與冰晶黏在一起,細小的冰晶會吸引更多的水點而逐漸長成更大的冰晶,直至二至二百個冰晶連系在一起,形狀不同而且獨一無二的雪花便會根據大氣環境而形成。
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。每當雪晶碰到過冷的水點時 ,它們會立刻凝固在一起,形成的軟粒子便是雪小球,而整個過程被稱為“蒙霜”。在溫和的區域里,水分子的增加造就了冰晶的生長,從而形成了雪花。它那巧奪天工的六角體成為了雪花生長的奧秘,每個雪花有著至少上億個水分子,冰晶就是從水平和垂直的方向,生長成更大更厚的晶體了。不過 ,整個過程都是有著六角對稱的特性,確是不可思議呢!
雪花的生長:
雪花形成的時候,大氣里水氣是飽和的,溫度則在攝氏零度以下。微細的冰晶會漸漸圍繞著凝結核。然后,冰晶連結在一起而雪花亦隨之誕生。這過程被稱為“結晶”。在結晶過程中,水分子會以它們的基本排列方式從液態變成固態。由于冰晶的基本模式是六角棱體,大部份冰晶的雛形都是六角形的。當更多的水分子與冰晶結合后,他們會由第一個六角形開始保持冰晶的形狀繼續向外生長。
雖然大部份冰晶形成時有著六邊對稱的特性,但是它們會因應溫度的改變而做成很多不同形狀的變化。若溫度低于攝氏零下三十度,六角柱體的冰晶便會形成,典型的六角形的扁平片狀雪花會在攝氏零下十五度左右時形成。當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的形狀的雪花便會產生。由于雪層越高,溫度越冷,因此六角柱狀的雪花通常會在高云形成。較低的云層通常會形成六角平面的片狀雪花,而不同形狀的結晶會在低云中產生。不過現實的情形更加復雜、不為人所知呢!
雪花的大小
很多人會把雪花想象成從天而降的雪,因此他們會假設雪花會和雪球差不多大小。事實上,雪花一詞是指個別的雪晶,而從天空降下來的雪稱為雪球,它聚集了數百甚至數千個細小雪花黏在一起?，F在,你可以想象得到一個雪花有多大吧。
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,在一克里有著三千至一萬個這些雪花,有些較大的雪花直徑可能達到二厘米至四厘米(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)和包含在數百個晶體。不過,要長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。處于攝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分為兩大類,一是片狀,另一類是柱狀。我們經?？吹奖容^美麗的雪花便是那些六邊對稱的片狀雪晶。它們通常會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,中空柱狀在是低于攝氏零下二十度形成。
如果我們希望找出大部分冰晶是六角棱體的原因,我們或許應該首先了解一下水分子。水分子是由兩個氫原子以及一個氧原子(這便是我們常把水稱為H2O的原因),它們以一種很強的鍵——共價鍵, 黏合在一起。
當液態的水分子被冷卻至凝固點,水分子會互相碰撞,形成固態冰晶,然后它們會利用氫鍵結合在一起。若分子與分子之間結合,便會更穩定。相對來說,最穩定的排列方式是以六角形狀把六個水分子黏在一起,這也是為什么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候,它們大部份會黏在六角形冰芯片的角上,這是由于六角形的角比邊更容易吸引水分子。因此,角會是雪花生長的起步點呢!
雪花的獨有性
很久以前,一位科學家曾作一個有關雪花的研究,他使用顯微鏡來觀察大約五千個雪花的形狀。令他感到出奇的是,竟然找不到任何兩個形狀完全相同的雪花,每一個雪花都擁有自己的獨有圖案而從不重復的。
科學家其后嘗試找出這個雪花的奧秘,結果他們發現雪花對于大氣環境的改變是極度敏感的。即使氣溫或水份子飽和度出現微小的改變,雪花生長的圖案也可能有很明顯的改變。在大氣里,氣溫和飽和度是不斷改變的,因此我們很難找到兩個完全相同雪晶。
事實上,雪花有多尖銳能反映其生長環境。例如,我們能夠看到一個片狀主體時,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,針狀分支便會形成。 此外,雪花在空氣中飄浮的時間越長,圖案會越復雜。
雪花的形成原理是什么?
雪花的形成，主要與空氣中的水汽有關。冬季氣溫降低到0℃以下時，空氣中的水汽便在云層中凝結成小冰晶。而云層中的冰晶和過冷水滴不斷碰撞蒸發，就會形成水蒸氣。
這些水蒸氣在凝結的同時體積逐漸增大，就慢慢變成了雪花。由于雪花是由冰晶增大形成的，而冰晶的分子多為六角形，所以雪花也多是六角形的。
