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二、雪花是怎么形成的?
11、 高空云
12、 雪花在高天的冷云中诞生。我们大气的某些区域充满了水分子。这些水分子通常从地面的水汽中蒸发出来,上升到空中,然后通过大气流动聚集在一起。它们在空气中是饱和的。随着温度下降到露点,水分子的振动速度变慢,慢慢聚集在一起形成小水滴。这种现象叫做“露水凝结”,所以我们看到的是雾或云。由于范德华力,空气中的液滴会相互保持一定的距离。随着温度的进一步降低,水的凝结速率大于它的蒸发速率,所以云中的水滴会越来越多,云也会越来越厚。
13、 如果空气非常干净,没有灰尘充当凝结核,即使温度降到-38,云中的水滴也不会结冰。它们被称为过冷水。但是云层中或多或少存在一些微小的颗粒,所以一些过冷的水滴会附着在这些颗粒上,迅速凝结成小冰晶。因此,在寒冷的冬天,我们头顶的云层中充满了无数的小冰晶和过冷水滴。事实上,即使在盛夏,由于上层云的温度低于0,这里的云中有许多小冰晶和过冷的水滴,在这样的云中就形成了冰雹。
14、 冰成核
15、 无论是小雪花还是巨大的冰雹,都是从云层中的小冰核开始的。
16、 虽然冷云中有无数的小水滴,但随着云的流动,小水滴之间难免会发生碰撞,但这种碰撞往往不会使它们聚集成更大的水滴。这是因为水滴表面的水分子被氢键的力量拉在一起,形成表面张力。水的表面张力会在一定程度上排斥其他分子的“堵塞”,从而使水滴保持相对稳定的状态。
17、 前面我们提到过,冷云中有一些冰晶,冰的饱和蒸汽压低于水滴。云中的水蒸气在相对湿度为100%的情况下,与水滴相互作用时可能饱和,但与冰粒相互作用时,等量的水蒸气就会过饱和。水蒸气会试图恢复平衡,所以多余的水蒸气会在冰晶颗粒表面凝结成冰,然后这些冰晶会越长越大,从而形成冰核。
18、 现在你看,在冷云中,水滴不容易聚集,冰晶却容易长大。这个过程通常只发生在0~-38的温度范围内。当温度低于-38时,云中的过冷水滴会自发凝结成冰晶,不再需要尘埃作为凝结核。
19、 雪花的生长
20、 我们知道,冰的密度比水的密度低,因为水分子的结合方式不同。所以在云层中饱和的水汽中,冰晶会比较轻,它漂浮在云层中,不容易掉下来,这也为冰晶的生长创造了条件。
21、 随着水蒸气在冰晶表面凝结成冰,冰晶成长为冰核,其表面积越来越大,使得冰核有更多的机会与周围的水分子和水滴发生碰撞。过冷水滴撞击冰核后,会通过气相沉积在冰面上迅速蒸发结晶。
22、 最初的冰晶是六棱柱,是由水分子的组合和排列决定的。随着冰晶在云中滚动,其周围的水分子也有同样的机会凝结在冰晶的表面,并在其六个角上均匀生长,所以我们看到的雪花大多是规则的六边形薄片。事实上,不是所有的雪花都有六个角。自然界中的很多雪花都有12个角,是两片雪花在云层中相互碰撞形成的。
23、 雪花的形状
24、 雪花的最终形状取决于它在云中的路径。既然没有两片雪花走同一条路,世界上也就没有两片形状相同的雪花。
25、 雪花的每个角都是独立生长的,它们看起来非常相似。对于同一片雪花来说,它的所有角落都处于云中非常相似的环境中,周围的水分子在相似的条件下都能在雪花的枝干上结晶。
26、 但如果你仔细观察大多数雪花,你总能发现细微的差别。雪花在云中生长得越快,这些树枝的形状差异就越大。大部分带蕨枝的雪花长得更快,所以你很容易从它们身上发现不对称和不规则。
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