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opton微觀世界|世界上有兩片相同的雪花嗎？
? ? ? 在我國，下雪是一個十分常見的自然現(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，雪花獨六出”這句話的意思是，普通的花花草草大多是五瓣的，獨有雪花有六瓣。這應該是古人對于雪花的形狀的最早的描述和總結了?？梢?，2000多年前，人們就已經(jīng)對雪花有過初步的研究與認識了。那么以現(xiàn)在的觀點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（例如微小的塵埃顆粒）組成。如果云的溫度隨后降低，水分子就會開始結晶，并以六方晶格結構（稱為Ice Ih）排列在塵埃顆粒周圍（見圖1）。
? ? ? 同時，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。每個水分子有四個最近的鄰居（僅顯示一張），因此它充當其中兩個的氫供體，另外兩個作為氫受體。
????? 圖2-分子粘在粗糙表面上比光滑表面更容易，因為粗糙表面提供了更多的位置，新分子可以同時與多個表面分子鍵合。
????? 出現(xiàn)小平面是因為分子比光滑的表面更容易永久性地附著在粗糙的表面上。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)定性導致分支出現(xiàn)在拐角處。由于水分子結晶的六角形方式，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，因此它們仍保持在高空，而較大的晶體則易碎，因此它們會在微風中破裂，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，是什么導致雪花首先開始形成的呢？當在云中發(fā)現(xiàn)兩個特殊條件時會發(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
???? 當空氣中的水蒸氣多于正常的濕度極限（100％）時，就會發(fā)生過飽和。在每個溫度下，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。結果，過量的水蒸氣要么結晶成水滴，要么直接結晶成冰。
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以下，它不會凍結，這是因為該滴液體中的分子具有熱運動，阻止了其結晶。實際上，在凍結發(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，這是因為液體中包含的雜質會提供水分子可以粘附的表面（稱為成核作用），從而降低了熱運動的影響，從而提高了冰點。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。當一些分子圍繞微小雜質成核時，雪晶開始生長。當?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，雪花的結構和成分可以告訴科學家雪花形成時云內部經(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，可以經(jīng)多次攀連并合而變得很大。在降大雪的時候，有時有一些鵝毛般的大雪片，就是經(jīng)過多次并合而成的。但是，有時雪花互碰時不是互相并合在一起，而是給碰破了，這時便產(chǎn)生一些畸形的雪花。例如，在降雪的時候，有時會見到一些單個的"星枝"，就屬于這種情況。
????? 當時有水汽壓僅大于平面的飽和水汽壓時，水汽只在面上凝華，形成的是柱狀雪花。
????? 當時有水汽壓大于邊上的飽和水汽壓時，邊上和面上都會發(fā)生凝華。由于邊上水汽供應較充分，故在冰晶邊上凝華比面上快，多形成片狀雪花。
????? 當時有水汽壓大于角上的飽和水汽壓時，面上、邊上、角上都有水汽凝華，但尖角處位置突出，水汽供應最充分，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。
???? 進一步觀察雪花的超微結構需要用到冷凍樣品臺的掃描電鏡，可以看出其細節(jié)的特點，如圖7所示，雪花一個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圖像顯超顯微結構
????? 通過進一步對雪花細節(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單一的晶體組成，而是由無數(shù)個細小的小冰晶顆粒組成的具有對稱性的六邊形結構。由此超微結構來看雪花，是不可能存在兩個完全一樣的雪花的。我們還可以看出每個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遠小于致密的冰粒，這也就解釋了為什么雪花的下落速度會遠遠小于水珠的下落速度，并且會隨風飄蕩在空中。
