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雪花为什么是六角形的
发布时间:2021-01-14     作者:汪勤模   来源:中国气象局气象宣传与科普中心   分享到:

图片来源:视觉中国

人们很早就留意到雪花的六角形状,中国西汉时代的韩婴就写过:“凡草木花多五出,雪花独六出。”比德国天文学家开普勒记述雪花是六角形要早了1700多年。

雪花的形状,涉及水在大气中的结晶过程。大气中的水分子在冷却到冰点以下时,就开始凝华并形成水的晶体,即冰晶。冰晶和其他一切晶体一样,其最基本的性质就是具有自己规则的几何外形。冰晶属六方晶系,六方晶系具有4个结晶轴,其中3个辅轴在一个平面上,互相以60度角相交;另一主轴与这3个辅轴形成平面垂直。六方晶系的最典型形状是六棱柱体。但是,当结晶过程中主轴方向晶体发育很慢,而辅轴方向发育较快时,晶体就呈现出六边形片状。大气中的水汽在结晶过程中,往往是晶体在主轴方向生长速度慢,而在3个辅轴方向则快得多,因此,冰晶多为六边形片状。

每片雪花在整体上虽然都是六角形的,但在细微形态上却有很多差别。有人专门收集过不同形状的雪花,竟发现有两万多种不同细微形态的雪花。仔细观察各种不同形态的雪花,可以发现主要有4种:一是板状雪花,它像一块六角形的薄板,有的整齐而对称,有的错综复杂、呈不规则堆叠的六角形;二是星状雪花,它像一颗有六角光芒的星星;三是柱状雪花,它像六角形的粉笔,它的两头有的是平的,有的是尖的,也有几个大小不同的柱形集合在一起组成;四是针状雪花,它像缝衣服的针,它的两端有浑圆的,有尖尖的,也有单根针状和数根针状合并而成的。

其实,在不同的环境下,雪花可以表现出各种各样的形态。这主要是因为雪花在生成过程中,温度和湿度瞬息万变,只要稍有差异,雪花的形状就会有所不同。也就是说,各种雪花的形成和出现是与不同的气象条件有关的,特别是与空气温度、湿度有着密切的关系。当水汽充足、云中温度下降到-5~-3℃时,天空降下的是针状六瓣结晶冰花;当温度降至-13~-10℃时,天空降下的是板状六瓣晶体雪花;如果是枝状、星状六瓣晶体雪花,通常需要在-18~-14℃温度的范围内;那种琉璃别致的菱形状晶体雪花,则是在-25℃且水汽处于饱和状态下逐渐形成的。

当大气中的水汽十分丰富的时候,周围的水分子不断地向最初形成的晶片上结合。其中,雪片的6个顶角最为明显,顶角上出现突出物和分叉。这些分叉增长到一定程度,又会分叉。次级分叉与母枝均保持六十度的角度。一朵六角形的雪花就这样形成了。

尽管雪花最基本的形态是六角形,如美国数学教师帕帕斯在《数学趣闻集锦》中所说:“雪花可能是自然界中具有六角形对称的最为令人兴奋的例子。”然而,当你漫步在雪花纷飞的原野上,你会发现,没有两朵雪花是完全一样的,它是千姿百态的,如同世界上没有完全相同的双胞胎一样。1988年美国科罗拉多国家大气探测中心克奈特一封公布在《美国气象学报》上的信中写道:“人们引证最多的论断之一,是关于雪花没有两朵是完全一样的。这已为人类智慧所认可。”

一生致力于雪花形态收集观察的本特利,对这些雪花照片进行了反复对比,发现它们的形状彼此各不相同,没有两张是完全一样的。在临终前说,他所拍摄的照片,“这不过是大自然落到我手里的一部分雪花而已”。继本特利之后,人们总在不断收集雪花形状的照片,已经找到不同的雪花图案达两万多种。然而,这并不能说明已经收集完整了,还有更多的雪花形状等待着人们陆续去发现呢。

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