在我國，下雪是一個(gè)十分常見的自然現(xiàn)象，除了部分南方地區(qū)，大部分的地區(qū)冬季都會有降雪。潔白的雪花似的大地銀裝素裹，兒童可以在雪地上嬉戲打鬧，打雪仗堆雪人，分外歡樂。那么對于潔白的雪花我們有了解多少呢？我們的祖先早就注意到過這些潔白的小精靈了，西漢詩人韓嬰的《韓氏外傳》中這樣的描述：“凡草木花多五出，雪花獨(dú)六出”這句話的意思是，普通的花花草草大多是五瓣的，獨(dú)有雪花有六瓣。這應(yīng)該是古人對于雪花的形狀的最早的描述和總結(jié)了。可見，2000多年前，人們就已經(jīng)對雪花有過初步的研究與認(rèn)識了。那么以現(xiàn)在的觀點(diǎn)雪花又是怎樣形成的呢？首先還要從雪花形成的云說起。

      云由水滴，水蒸氣和懸浮的雜質(zhì)（例如微小的塵埃顆粒）組成。如果云的溫度隨后降低，水分子就會開始結(jié)晶，并以六方晶格結(jié)構(gòu)（稱為Ice Ih）排列在塵埃顆粒周圍（見圖1）。

      同時(shí)，雪花也是水的一種固態(tài)形式——冰。冰有十四種已知形式，但是冰Ih（“ 1型六角形形式”的縮寫）在-100°C至0°C之間穩(wěn)定，因此它是雪花中看到的形式。六邊形排列的水分子堆疊成片，其側(cè)面完全筆直且彼此成120°角，稱為“小平面”（見圖2）。

       圖1紅色球體代表氧原子，白色球體代表氫原子。隨著空氣的冷卻，最接近的相鄰水分子開始將自己排列成晶格，逐漸呈現(xiàn)出“ ice Ih”的六邊形幾何形狀。每個(gè)水分子有四個(gè)最近的鄰居（僅顯示一張），因此它充當(dāng)其中兩個(gè)的氫供體，另外兩個(gè)作為氫受體。

      圖2-分子粘在粗糙表面上比光滑表面更容易，因?yàn)榇植诒砻嫣峁┝烁嗟奈恢?，新分子可以同時(shí)與多個(gè)表面分子鍵合。

      出現(xiàn)小平面是因?yàn)榉肿颖裙饣谋砻娓菀子谰眯缘馗街诖植诘谋砻嫔?。因此，首先填充了粗糙區(qū)域，然后填充了速度較慢的平滑面，然后定義了晶體的形狀。因此，任何雪晶的初始形式都是完美的六邊形棱鏡。如圖3所示。后來，隨著六邊形棱鏡的增長，它變得無法保持其形狀，并且分支不穩(wěn)定性導(dǎo)致分支出現(xiàn)在拐角處。由于水分子結(jié)晶的六角形方式，晶體的最終形式將始終具有6倍的對稱性。實(shí)際上，如圖4所示，您仍然可以在許多雪花的中心看到早期的六邊形棱柱。

 圖3.六角形雪晶的SEM圖片

圖4.樹突狀雪晶的SEM圖片

       落到地面上的雪花的大小可能不同，從寬度僅為0.2毫米的近乎完美的六棱柱（稱為鉆石塵）到寬度為5毫米的大型“樹枝狀”雪晶。小于鉆石塵的晶體太輕而無法掉落到地面上，因此它們?nèi)员３衷诟呖?，而較大的晶體則易碎，因此它們會在微風(fēng)中破裂，如圖5所示。

圖5 部分破碎的雪片的SEM圖

雪花是怎樣形成的？

      但是，是什么導(dǎo)致雪花首先開始形成的呢？當(dāng)在云中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)特殊條件時(shí)會發(fā)生這種情況：過飽和和過冷，并且雪晶的最終形狀可以揭示這些條件如何變化。

過飽和

     當(dāng)空氣中的水蒸氣多于正常的濕度極限（100％）時(shí)，就會發(fā)生過飽和。在每個(gè)溫度下，空氣中可以吸收的水蒸氣量最大。溫度越高，可容納的水蒸氣越多。但是，如果冷卻已經(jīng)相對濕度為100％的空氣，則空氣變得過飽和，并且這種情況不穩(wěn)定。結(jié)果，過量的水蒸氣要么結(jié)晶成水滴，要么直接結(jié)晶成冰。

過冷

      低于0°C的液態(tài)水的存在稱為過冷。出乎意料的是，如果將一滴純水冷卻至其冰點(diǎn)以下，它不會凍結(jié)，這是因?yàn)樵摰我后w中的分子具有熱運(yùn)動，阻止了其結(jié)晶。實(shí)際上，在凍結(jié)發(fā)生之前，溫度必須降至-42°C。相比之下，一滴自來水很容易在0°C凍結(jié)，這是因?yàn)橐后w中包含的雜質(zhì)會提供水分子可以粘附的表面（稱為成核作用），從而降低了熱運(yùn)動的影響，從而提高了冰點(diǎn)。如果您可以在顯微鏡下觀察該過程，您會逐漸看到更多的水分子連接起來形成微小的冰晶。如果晶體大于臨界尺寸，它將生長，但如果 如果分子太小，分子將再次分裂。云中也會發(fā)生同樣的事情。

       圖5.如何生成雪花。當(dāng)一些分子圍繞微小雜質(zhì)成核時(shí)，雪晶開始生長。當(dāng)?shù)貤l件的變化會隨后改變晶體的形狀和大小。

真的沒有兩個(gè)雪花是一樣的嗎？

       不同的溫度和濕度對雪花的形態(tài)有著直接的影響，圖6顯示了不同溫度以及濕度對于雪花形態(tài)的影響，因此，雪花的結(jié)構(gòu)和成分可以告訴科學(xué)家雪花形成時(shí)云內(nèi)部經(jīng)歷的溫度條件。

      雪花從云中下降到地面，路途很長，在條件適合時(shí)，可以經(jīng)多次攀連并合而變得很大。在降大雪的時(shí)候，有時(shí)有一些鵝毛般的大雪片，就是經(jīng)過多次并合而成的。但是，有時(shí)雪花互碰時(shí)不是互相并合在一起，而是給碰破了，這時(shí)便產(chǎn)生一些畸形的雪花。例如，在降雪的時(shí)候，有時(shí)會見到一些單個(gè)的"星枝"，就屬于這種情況。

      當(dāng)時(shí)有水汽壓僅大于平面的飽和水汽壓時(shí)，水汽只在面上凝華，形成的是柱狀雪花。

      當(dāng)時(shí)有水汽壓大于邊上的飽和水汽壓時(shí)，邊上和面上都會發(fā)生凝華。由于邊上水汽供應(yīng)較充分，故在冰晶邊上凝華比面上快，多形成片狀雪花。

      當(dāng)時(shí)有水汽壓大于角上的飽和水汽壓時(shí)，面上、邊上、角上都有水汽凝華，但尖角處位置突出，水汽供應(yīng)最充分，凝華增長得最快，故多形成枝狀或星狀雪。

      又由于冰晶不停地運(yùn)動，它所處的溫度和濕度條件也不斷變化，這就使得冰晶各部分增長的速度不一致，形成多種多樣的雪花。

     進(jìn)一步觀察雪花的超微結(jié)構(gòu)需要用到冷凍樣品臺的掃描電鏡，可以看出其細(xì)節(jié)的特點(diǎn)，如圖7所示，雪花一個(gè)分支是存在對稱性的，但是也不是完美對稱的，會存在少許的不同。

圖6 溫度和濕度對雪花形態(tài)的影響


圖7 雪花的SEM圖像

圖8 雪花的SEM圖像顯超顯微結(jié)構(gòu)

      通過進(jìn)一步對雪花細(xì)節(jié)的觀察，（圖8）可以看出，雪花的組成并不是想象的是由一個(gè)單一的晶體組成，而是由無數(shù)個(gè)細(xì)小的小冰晶顆粒組成的具有對稱性的六邊形結(jié)構(gòu)。由此超微結(jié)構(gòu)來看雪花，是不可能存在兩個(gè)完全一樣的雪花的。我們還可以看出每個(gè)小冰晶之間都是存存在縫隙的，這樣組成的雪花的密度也就遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于致密的冰粒，這也就解釋了為什么雪花的下落速度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水珠的下落速度，并且會隨風(fēng)飄蕩在空中。