雪花的形狀是什么樣的？
下雪時(shí)的景致美不勝收，但科學(xué)家和工藝美術(shù)師贊嘆的還是小巧玲瓏的雪花圖案。遠(yuǎn)在一百多年前，冰川學(xué)家們已經(jīng)開始詳細(xì)描述雪花的形態(tài)了。
西方冰川學(xué)的鼻祖丁鐸耳在他的古典冰川學(xué)著作里，這樣描述他在羅扎峰上看到的雪花：“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(cè)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范圍。”
在我國，早在公元前一百多年的西漢文帝時(shí)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(dú)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(gè)完全相同的人一樣。許多學(xué)者用顯微鏡觀測過成千上萬朵雪花，這些研究最后表明，形狀、大小完全一樣和各部分完全對(duì)稱的雪花，在自然界中是無法形成的。
在已經(jīng)被人們觀測過的這些雪花中，再規(guī)則勻稱的雪花，也有畸形的地方。為什么雪花會(huì)有畸形呢?因?yàn)檠┗ㄖ車髿饫锏乃坎豢赡茏笥疑舷滤拿姘朔蕉际且粯拥模灰杂胁町�，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(gè)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(lián)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(jīng)常被工藝美術(shù)師用來作為結(jié)構(gòu)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(xué)實(shí)驗(yàn)室的冷房間里，在日本北方雪原上的帳篷里，含辛茹苦二十年，拍攝和研究了成千上萬朵的雪花。
但是，盡管雪花的形狀千姿百態(tài)，卻萬變不離其宗，所以科學(xué)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(tài)，其它五種不過是這兩種基本形態(tài)的發(fā)展、變態(tài)或組合。
雪花為什么是六角形的？
早在公元前的西漢時(shí)代，《韓詩外傳》中就指出：“凡草木花多五出，雪花獨(dú)六出。”雪的基本形狀是六角形。但在不同的環(huán)境下，卻可表現(xiàn)出各種樣的形態(tài)。
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(fā)現(xiàn)將近有六千種彼此不同的雪花，但他死前認(rèn)為這不過是大自然落到他手中的少部分雪花而已。以致于有人說沒有兩朵大小和形狀完全相同的雪花。
為什么雪花的基本形態(tài)是六角形的片狀和柱狀呢?
這和水汽凝華結(jié)晶時(shí)的晶體習(xí)性有關(guān)。水汽凝華結(jié)晶成的雪花和天然水凍結(jié)的冰都屬于六方晶系。我們?cè)诓┪镳^里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，不過水晶是二氧化硅（SiO2）的結(jié)晶，冰晶是水（H2O）的結(jié)晶罷了。
六方晶系具有四個(gè)結(jié)晶軸，其中三個(gè)輔軸在一個(gè)基面上，互相以60°的角度相交，第四軸(主晶軸)與三個(gè)輔軸所形成的基面垂直。六方晶系最典型的代表就象是幾何學(xué)上的一一個(gè)正六面柱體。當(dāng)水汽凝華結(jié)晶的時(shí)候，如果主晶軸比其它三個(gè)輔軸發(fā)育得慢，并且很短，那么晶體就形成片狀；倘若主晶軸發(fā)育很快，延伸很長，那么晶體就形成柱狀。雪花之所以一般是六角形的，是因?yàn)檠刂骶лS方向晶體生長的速度要比沿三個(gè)輔軸方向慢得多的緣故。
千姿百態(tài)的雪花
對(duì)于一片六角形雪片來說，由于它表面曲率不等(有凸面、平面和凹面)，各面上的飽和水汽壓力也不同，因此產(chǎn)生了相互間的水汽密度梯度，使水汽發(fā)生定向轉(zhuǎn)移。水汽轉(zhuǎn)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(gè)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。由于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(chǎn)生升華現(xiàn)象。中央部分由于獲得源源不斷的水汽而達(dá)到冰面飽和，產(chǎn)生凝華作用。這種凝華結(jié)晶的過程不斷進(jìn)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(shí)上，事物與周圍環(huán)境保持著密切的聯(lián)系，空氣里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(shù)量，那么雪片向柱狀雪晶的發(fā)展過程繼續(xù)進(jìn)行。在溫度很低水汽很少的高緯和極地地區(qū)，便因?yàn)檫@個(gè)原因經(jīng)常降落柱狀雪晶。
空氣里水汽飽和程度較高的時(shí)候，出現(xiàn)另外一種情況。這時(shí)周圍空氣不斷地向雪片輸送水汽，使雪片快速地發(fā)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(jìn)外層水汽向內(nèi)部輸送。這樣，雪片便很快地生長起來。當(dāng)水汽快速向雪片輸送的時(shí)候，六個(gè)頂角首當(dāng)其沖，水汽密度梯度最大。來不及向雪片內(nèi)部輸送的水汽，便在頂角上凝華結(jié)晶；這時(shí)，頂角上會(huì)出現(xiàn)一些突出物和枝杈。這些枝叉增長到一定程度，又會(huì)分叉。次級(jí)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里，還可見到一種冰針，象寶石一樣閃爍著瑰麗的光彩，人們把它叫做鉆石塵。冰針的生長有二種情況：一種是在嚴(yán)寒下(-30℃以下)濕度很小時(shí)水汽自發(fā)結(jié)晶的結(jié)果，另一種是在溫度較高(-5℃左右)濕度較大時(shí)沿著雪片某一條輔軸所在的頂角特別迅速生長的產(chǎn)物，是雪花的畸形發(fā)展。
形形色色的雪花晶體在天空生成后，當(dāng)它們的直徑達(dá)到50微米時(shí)，便能克服空氣的浮力而開始作明顯的下降運(yùn)動(dòng)，一邊飄逸下降一邊繼續(xù)生長變化。這樣一來，便產(chǎn)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(tài)來。
雪花有多大
詩人李白在形容燕山雪花時(shí)有一句著名詩句：“燕山雪花大如席”。雪花真的有那么大嗎？其實(shí)，雪花是很小的。不要說“大如席”的雪花科學(xué)史上沒有記錄，就是“鵝毛大雪”，也是不容易遇到的。
事實(shí)上，我們能夠見到的單個(gè)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(gè)雪花加在一起才有一克重。有位科學(xué)家粗略統(tǒng)計(jì)了一下，一立方米的雪里面約有60～80億顆雪花，比地球上的總?cè)丝跀?shù)還要多。
雪花晶體的大小，完全取決于水汽凝華結(jié)晶時(shí)的溫度狀況。在非常嚴(yán)寒時(shí)形成的雪晶很小，幾乎看不見，只有在陽光下閃爍時(shí)，人們才能發(fā)現(xiàn)它們象金剛石粉末似地存在著。
據(jù)研究，溫度對(duì)雪晶大小存在影響：當(dāng)氣溫為-36℃時(shí)，雪晶的平均面積是0.017平方毫米；當(dāng)氣溫為-24℃時(shí)，平均面積是0.034平方毫米；氣溫為-18℃時(shí)，平均面積是0.084平方毫米，-6℃時(shí)，為0.256平方毫米，氣溫在-3℃時(shí)，雪晶的平均面積增大到0.811平方毫米。
人們有種錯(cuò)誤的感覺，這種感覺常常是從有些文學(xué)作品描寫天氣嚴(yán)寒時(shí)，喜歡用“鵝毛大雪”來形容。其實(shí)，“鵝毛大雪”是氣溫接近0℃左右時(shí)的產(chǎn)物，并不是嚴(yán)寒氣候的象征。相反，雪花越大，說明當(dāng)時(shí)的溫度相對(duì)比較高。三九嚴(yán)寒很少出現(xiàn)鵝毛大雪，只有在秋末初冬或冬末初春時(shí)，才有可能下鵝毛大雪。所謂的鵝毛大雪，其實(shí)并不是一顆雪花，而是由許多雪花粘連在一起而形成的。單個(gè)的雪花晶體，直徑最大也不會(huì)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(duì)比較高的情況下，雪花晶體很容易互相聯(lián)結(jié)起來，這種現(xiàn)象稱為雪花的并合。尤其當(dāng)氣溫接近0℃，空氣比鉸潮濕的時(shí)候，雪花的并合能力特別大，往住成百上千朵雪花并合成一片鵝毛大雪。因此，嚴(yán)格地說，鵝毛大雪并不能稱為雪花，它僅僅是許多雪花的聚合體而已。
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