雪花的微观世界

雪花产生的科学原理是什么

雪花产生的科学原理是什么

相信北方的朋友都有看到过雪花，但是大多数的人不清楚雪花是

如何产生的。下面为您精心推荐了雪花产生的科学原理，希望对您有

所帮助。

雪花产生的原理

下雪是一种自然现象，空中的水汽凝华后，又重新落到地面上的

过程，水是地球上各种生灵存在的根本，水的变化和运动造就了我们

今天的世界。在地球上，水是不断循环运动的，海洋和地面上的水受

热蒸发到天空中，这些水汽又随着风运动到别的地方，当它们遇到冷

空气，形成降水又重新回到地球表面。这种降水分为两种：一种是液

态降水，这就是下雨;另一种是固态降水，这就是下雪或下冰雹等。

大气里以固态形式落到地球表面上的降水，叫做大气固态降水。

雪是大气固态降水中的一种最广泛、最普遍、最主要的形式。大气固

态降水是多种多样的，除了美丽的雪花以外，还包括能造成很大危害

的冰雹，还有我们不经常见到的雪霰和冰粒。

大气固态降水分为十种：雪片、星形雪花、柱状雪晶、针状雪晶、

多枝状雪晶、轴状雪晶、不规则雪晶、霰、冰粒和雹。前面的七种统

称为雪。为什么后面三种不能叫做雪呢?原来由气态的水汽变成固态的

水有两个过程，一个是水汽先变成水，然后水再凝结成冰晶;还有一种

是水汽不经过水，直接变成冰晶，这种过程叫做水的凝华。所以说雪

是天空中的水汽经凝华而来的固态降水。

雪花形成条件

一个条件是水汽饱和。空气在某一个温度下所能包含的最大水汽

量，叫做饱和水汽量。空气达到饱和时的温度，叫做露点。饱和的空

气冷却到露点以下的温度时，空气里就有多余的水汽变成水滴或冰晶。

因为冰面饱和水汽含量比水面要低，所以冰晶生长所要求的水汽饱和

程度比水滴要低。也就是说，水滴必须在相对湿度(相对湿度是指空气

中的实际水汽压与同温度下空气的饱和水汽压的比值)不小于100%时

才能增长;而冰晶呢，往往相对湿度不足100%时也能增长。例如，空

气温度为-20℃时，相对湿度只有80%，冰晶就能增长了。气温越低，

冰晶增长所需要的湿度越小。因此，在高空低温环境里，冰晶比水滴

更容易产生。

另一个条件是空气里必须有凝结核。有人做过试验，如果没有凝

结核，空气里的水汽，过饱和到相对湿度500%以上的程度，才有可

能凝聚成水滴。但这样大的过饱和现象在自然大气里是不会存在的。

所以没有凝结核的话，我们地球上就很难能见到雨雪。凝结核是一些

悬浮在空中的很微小的.固体微粒。最理想的凝结核是那些吸收水分最

强的物质微粒。比如说海盐、硫酸、氮和其它一些化学物质的微粒。

所以我们有时才会见到天空中有云，却不见降雪，在这种情况下人们

往往采用人工降雪。

雪花形成过程

雪花的形状极多,而且十分美丽.如果把雪花放在放大镜下,可以发现

每片雪花都是一幅极其精美的图案,连许多艺术家都赞叹不止。但是，

各种各样的雪花形状是怎样形成的呢?雪花大都是六角形的，这是因为

雪花属于六方晶系。云中雪花"胚胎"的小冰晶，主要有两种形状。一

种呈六棱体状，长而细，叫柱晶，但有时它的两端是尖的，样子像一

根针，叫针晶。另一种则呈六角形的薄片状，就像从六棱铅笔上切下

来的薄片那样，叫片晶。

原来，在冰晶增长的同时，冰晶附近的水汽会被消耗。所以，越

靠近冰晶的地方，水汽越稀薄，过饱和程度越低。在紧靠冰晶表面的

地方，因为多余的水汽都已凝华在冰晶上了，所以刚刚达到饱和。这

样，靠近冰晶处的水汽密度就要比离它远的地方小。水汽就从冰晶周

围向冰晶所在处移动。水汽分子首先遇到冰晶的各个角棱和凸出部分，

并在这里凝华而使冰晶增长。于是冰晶的各个角棱和凸出部分将首先

迅速地增长，而逐渐成为枝叉状。以后，又因为同样的原因在各个枝

叉和角棱处长出新的小枝叉来。与此同时，在各个角棱和枝叉之间的

凹陷处。空气已经不再是饱和的了。有时，在这里甚至有升华过程，

以致水汽被输送到其他地方去。这样就使得角棱和枝叉更为突出，而

慢慢地形成了我们熟悉的星状雪花。

上面说的实际上是一个典型的星状雪花的形成过程。它的相当部

位，不论形状或大小，都应当是相同的。这种典型的星状雪花只有在

一个理想的、平静的环境中(譬如在实验室内)才能形成。在大气中，它

不能象上面说的那样有步骤地增大，所形成的形状也就不能那样典型。

这是因为冰晶逐渐在下降着，而且有时在旋转着，各个枝叉接触水汽

的多少有所不同，而那些接触水汽较多的枝又便增长得较多。因此，

我们平常所看到的雪花虽大体上一样但又互不相同。

以上所述都是单个雪花的情况。在雪花下降时，各个雪花也很容

易互相攀附并合在一起，成为更大的雪片。雪花的并合大多在以下三

种情况下出观：(1)当温度低于0℃的时候，雪花在缓慢下降的途中相

撞。碰撞产生了压力和热，使相撞部分有些融化而彼此沾附在一起，

随后这些融化的水又立即冻结起来。这样，两个雪花就并合到一起了。

(2)在温度略高于0℃的时候，雪花上本来已覆有一层水膜，这时如果

两个雪花相碰，便借着水的表面张力而沾合在一起。(3)如果雪花的枝

叉很复杂，则两个雪花也可以只因简单的攀连而相挂在一起。

雪花从云中下降到地面，路途很长，在条件适合时，可以经多次

攀连并合而变得很大。在降大雪的时候，有时有一些鹅毛般的大雪片，

就是经过多次并合而成的。但是，有时雪花互碰时不是互相并合在一

起，而是给碰破了，这时便产生一些畸形的雪花。例如，在降雪的时

候，有时会见到一些单个的"星枝"，就属于这种情况。

当实有水汽压仅大于平面的饱和水汽压时，水汽只在面上凝华，

形成的是柱状雪花。

当实有水汽压大于边上的饱和水汽压时，边上和面上都会发生凝

华。由于边上水汽供应较充分，故在冰晶边上凝华比面上快，多形成

片状雪花。

当实有水汽压大于角上的饱和水汽压时，面上、边上、角上都有

水汽凝华，但尖角处位置突出，水汽供应最充分，凝华增长得最快，

故多形成枝状或星状雪。

又由于冰晶不停地运动，它所处的温度和湿度条件也不断变化，

这就使得冰晶各部分增长的速度不一致，形成多种多样的雪花。