为何有的雪花是六角形有的却不规则？温度与湿度对冰晶生长的塑造

2025-10-29 19:48:01发布 3次浏览

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雪花形态的多样性主要源于冰晶生长过程中温度和湿度（过饱和水汽）这两个关键环境因素的复杂变化。冰晶的基本六角形结构源于水分子在固态（冰）时的排列方式（六方晶系），但最终呈现的形态则是由生长环境决定的。

以下是详细解释：

冰晶的基本结构：六方晶系

温度对冰晶生长形态的塑造：

温度是影响冰晶生长速度各向异性（不同晶面生长速度不同）的最关键因素。
不同温度区间主导不同的生长形态：
- -2°C 到 -10°C (大约 28°F 到 14°F)： 冰晶沿基面（a轴方向）生长更快，形成薄片状或板状六边形。这是最常见的雪花形态基础。
- -10°C 到 -22°C (大约 14°F 到 -8°F)： 冰晶沿棱柱面（c轴方向）生长更快，形成柱状晶体（如细针、空心柱、实心棱柱）。在-15°C左右，针状晶体最常见。
- 低于 -22°C (大约 -8°F)： 冰晶又倾向于沿基面生长，再次形成板状或片状晶体，但形态可能更复杂（如星状板）。
- -5°C 到 -10°C (大约 23°F 到 14°F) 和 -15°C 到 -20°C (大约 5°F 到 -4°F)： 这两个区间是枝状晶体（我们通常认为最经典的“雪花”形态）生长的黄金温度带。特别是-15°C左右，枝状生长最为繁茂。在这个温度下，基面（特别是棱边和角）的生长速度远快于棱柱面，导致从六边形的角上优先长出分支，分支上再长出次级分支，形成精美的树状结构。

湿度（过饱和度）对冰晶生长形态的塑造：

湿度（更准确地说，是水汽相对于冰面的过饱和度）决定了冰晶生长可用的“建筑材料”的多少。
高过饱和度：
- 提供充足的水汽，冰晶生长迅速。
- 在适宜的温度下（如-15°C），极大地促进枝状生长。棱边和角这些“尖端”更容易捕获水汽分子，导致分支快速向外延伸，形成精细复杂的星形、蕨叶状或树枝状雪花。分支会变得细长、尖锐。
低过饱和度：
- 水汽供应有限，冰晶生长缓慢。
- 倾向于形成简单、紧凑的形态，如六边形板、棱柱、实心柱或简单的星形板。分支短小甚至没有，边缘光滑。
- 在非常低的过饱和度下，冰晶表面可能变得粗糙或不规则。

为什么雪花在降落过程中形态会变化？

一片雪花在云中形成并降落到地面的过程中，不会只经历单一的温度和湿度环境。
云层内部存在复杂的垂直温度梯度和湿度分布。雪花可能在较暖层形成板状，掉进较冷层开始长柱，再进入高湿层长出分支，然后又进入低湿层停止分支生长，最后可能进入接近0°C的层边缘融化。
这种不断变化的环境是导致雪花形态极其复杂多样的核心原因。一片雪花的不同部分可能是在不同温湿条件下生长的。

导致不规则雪花（非六角形）的关键因素：

过冷水滴的碰撞与冻结（淞附）： 这是形成不规则雪花（尤其是雪粒、霰、软雹）的最主要原因。
- 云中常存在大量温度低于0°C但仍保持液态的水滴（过冷水滴）。
- 当这些过冷水滴碰撞到已经存在的冰晶（或雪花）表面时，会瞬间冻结附着在上面。
- 这个过程称为淞附。冻结的液滴形成不透明的、颗粒状或毛茸茸的冰层，完全掩盖了冰晶原有的规则六角形结构。
- 最终形成的可能是雪粒（小的、不透明或半透明的冰粒）、霰（白色、不透明、脆的冰粒，落地易碎）或软雹（更大的白色不透明冰粒）。
冰晶的碰撞与粘连：
- 在云中，冰晶或小雪花之间会相互碰撞。
- 在温度接近0°C时，冰晶表面可能有一层薄薄的水膜，导致它们碰撞后容易粘连在一起，形成由多个晶体组成的聚合体。这些聚合体通常形状不规则，大小不一（鹅毛大雪通常就是这种聚合体）。
机械破损：
- 较大的、结构精细的枝状雪花在降落过程中，特别是在强风条件下，脆弱的枝臂容易断裂，导致雪花变得残缺或不规则。
接近融化层：
- 当雪花降落到接近0°C的暖层时，其边缘会开始融化，变得湿润和圆润，失去原有的棱角分明的结构，形状也会变得模糊和不规则。

总结：

规则六角形雪花（板状、柱状、枝状）： 在相对稳定且单一的温度和湿度条件下生长而成，主要依靠水汽直接在冰晶表面凝结（凝华）。其形态由特定温度区间决定生长优势方向（基面还是棱柱面），由过饱和度决定形态的复杂程度（简单板柱还是复杂树枝）。
不规则雪花（雪粒、霰、聚合体、破损雪花）： 主要成因是过冷水滴在冰晶上的碰撞与冻结（淞附），其次是冰晶间的碰撞粘连、机械破损以及部分融化。这些过程破坏了冰晶固有的六角对称性生长模式。

因此，雪花是天空中的微型雕塑，其最终形态忠实地记录下了它在云层复杂旅程中所经历的温度、湿度以及与其他水滴或冰晶相互作用的“历史”。完美的六角星形需要非常理想和稳定的条件，而多变的大气环境则更常孕育出形态各异的“不完美”艺术品。