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【科普阅读】又下雪了,你观察过雪花的形状吗?

来源:中国气象报社   发布时间:2019年02月14日16:17
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  今天(2月14日),华北黄淮等地的小伙伴又观赏到了雪花漫天飞舞的景象,当雪花从空中飘落时,你是否留意过它的形状?对于雪花的形状,古人也有描述“凡草木之花多五出,独雪花六出”,意思就是:凡是草科、木科的花朵一般是五个花瓣,唯独雪花有六瓣。如今人们也多认为雪花为六瓣状,那么实际情况是怎样的呢?

  雪花都是六瓣状吗?

  要想知道雪花的形状,我们不得不提历史上第一位给雪花拍照的人Wilson Bentley,他在1865年出生于美国佛蒙特州农场,从小对雪花着迷,不到19岁就开始记录深爱的雪花,终其一生拍过的雪花数量超过5000朵,且形状未有任何重复,可以说是当之无愧的“雪花人”。

1902年Wilson Bentley拍摄的雪花形状。来源维基百科

  随后,很多对雪花感兴趣的科学家和摄影师都加入了拍摄雪花的队伍,下面的动图便是各个艺术家们拍摄的真实雪花,可以看到,雪花并非都是我们通常认为的六瓣状。

摄影师镜头下千姿百态的雪花。

  千姿百态的雪花是如何形成的?

  雪花的形状很大程度上取决于云层中的温度和湿度。要知道温湿度如何影响雪花的形状,就不得不提日本的一个物理学家中谷宇吉郎(Ukichiro Nakaya),他早在20世纪30年代就通过试验室培育雪花发现了不同雪花形成的规律,并制作了雪花形态图表。

资料来源http://www.snowcrystals.com.丁茜 制图

  从图中可以看到在任何给定温度和饱和水平条件下形成雪花的主要类型。最大的最上镜的六瓣星状雪花只生长在云层温度在-15℃左右的狭窄温度范围内,针叶和柱状物雪花最常形成于-6℃左右的云层中。当云层湿度较高时,会长出更精致的树枝状雪花晶体,湿度较低则易形成简单的板状或者柱状晶体。

  目前,尽管研究人员一直在研究预测雪花晶体形状的理论方程,但我们仍然不知道形成特定形状背后的精确变量。多年来,雪花晶体可以分类的种类数量一直在稳步增加,在20世纪30年代的早期研究中,它们被分为21个不同的基于形状的类别;在20世纪50年代,这个类别扩大到42个类别,在20世纪60年代扩大到80个类别,2013年扩大到惊人的121个类别。

  下面我们看看不同雪花的生长过程吧。

 

 

视频来源:http://www.snowcrystals.com

  一片雪花究竟能有多大?

  古人描述雪花大小的诗句也有很多,比如李白曾用“燕山雪花大如席”来形容燕山雪花之大,而白居易也在《雪夜喜李郎中见访》中写道“可怜今夜鹅毛雪,引得高情鹤氅人”,将雪花比作鹅毛,如今我们也常用“鹅毛大雪”来形容雪之大。

  然而雪花真的有那么大吗?事实上,单个雪花本身是很小的。不要说“大如席”的雪花科学史上没有记录,就是“鹅毛大雪”,也并不那么容易遇到。

  一般情况下,我们能够看到的单个雪花直径一般在0.5~3毫米之间,这样微小的雪花只有在极精确的分析天平上才能称出其重量,大约3000~10000个雪花加在一起才有一克重。科学家曾做了个粗略统计,一立方米的雪里面约有60~80亿颗雪花,大约相当于世界总人口的数量(2017年底,世界总人口大约为75亿左右)。

雪花重量示意图。丁茜 制图

  有研究表明,雪花晶体的大小取决于水汽凝华结晶时的温度状况。当气温为-36℃时,雪晶的平均面积是0.017平方毫米;当气温为-24℃时,平均面积是0.034平方毫米;气温为-18℃时,平均面积是0.084平方毫米,-6℃时,为0.256平方毫米,气温在-3℃时,雪晶的平均面积增大到0.811平方毫米。

  因此在非常严寒时形成的雪花晶体很小,几乎看不见,只有在阳光下闪烁时,人们才能发现它们象金刚石粉末似地存在着。一般气温越高,雪花晶体会相对大些。

  通常我们看到的“鹅毛大雪”其实并不是一颗雪花,而是由许多雪花粘连在一起而形成的。这种情形一般发生在温度相对较高的情况下,此时的雪花晶体很容易互相联结起来,这种现象称为雪花的并合。尤其当气温接近0℃,空气比铰潮湿的时候,雪花在下落过程中的并合能力特别大,往住成百上千朵雪花合成一片“鹅毛大雪”。因此,严格地说,“鹅毛大雪”并不能称为雪花,它仅仅是许多雪花的聚合体而已。

  参考资料:

  http://www.snowcrystals.com/

  https://www.compoundchem.com/2014/12/10/snowflakes/

  https://en.wikipedia.org/wiki/Wilson_Bentley

  https://www.huffingtonpost.com/2013/12/03/alexey-kljatov_n_4373888.html?ec_carp=3900621579817231442

  http://www.kepu.net.cn/gb/earth/icesnow/snow/snw108.html

  https://vermonthistory.org/explorer/people-places/whos-who/famous-vermonters/wilson-snowflake-bentley

(本文为中国气象报记者王美丽编辑整理 责任编辑:刘杰)

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