opton微观世界|世界上有两片相同的雪花吗？

      在我国，下雪是一个十分常见的自然现象，除了部分南方地区，大部分的地区冬季都会有降雪。洁白的雪花似的大地银装素裹，儿童可以在雪地上嬉戏打闹，打雪仗堆雪人，分外欢乐。那么对于洁白的雪花我们有了解多少呢？我们的祖先早就注意到过这些洁白的小精灵了，西汉诗人韩婴的《韩氏外传》中这样的描述：“凡草木花多五出，雪花独六出”这句话的意思是，普通的花花草草大多是五瓣的，独有雪花有六瓣。这应该是古人对于雪花的形状的最早的描述和总结了。可见，2000多年前，人们就已经对雪花有过初步的研究与认识了。那么以现在的观点雪花又是怎样形成的呢？首先还要从雪花形成的云说起。

      云由水滴，水蒸气和悬浮的杂质（例如微小的尘埃颗粒）组成。如果云的温度随后降低，水分子就会开始结晶，并以六方晶格结构（称为Ice Ih）排列在尘埃颗粒周围（见图1）。

      同时，雪花也是水的一种固态形式——冰。冰有十四种已知形式，但是冰Ih（“ 1型六角形形式”的缩写）在-100°C至0°C之间稳定，因此它是雪花中看到的形式。六边形排列的水分子堆叠成片，其侧面完全笔直且彼此成120°角，称为“小平面”（见图2）。

       图1红色球体代表氧原子，白色球体代表氢原子。随着空气的冷却，最接近的相邻水分子开始将自己排列成晶格，逐渐呈现出“ ice Ih”的六边形几何形状。每个水分子有四个最近的邻居（仅显示一张），因此它充当其中两个的氢供体，另外两个作为氢受体。

      图2-分子粘在粗糙表面上比光滑表面更容易，因为粗糙表面提供了更多的位置，新分子可以同时与多个表面分子键合。

      出现小平面是因为分子比光滑的表面更容易永久性地附着在粗糙的表面上。因此，首先填充了粗糙区域，然后填充了速度较慢的平滑面，然后定义了晶体的形状。因此，任何雪晶的初始形式都是完美的六边形棱镜。如图3所示。后来，随着六边形棱镜的增长，它变得无法保持其形状，并且分支不稳定性导致分支出现在拐角处。由于水分子结晶的六角形方式，晶体的最终形式将始终具有6倍的对称性。实际上，如图4所示，您仍然可以在许多雪花的中心看到早期的六边形棱柱。

 图3.六角形雪晶的SEM图片

图4.树突状雪晶的SEM图片

       落到地面上的雪花的大小可能不同，从宽度仅为0.2毫米的近乎完美的六棱柱（称为钻石尘）到宽度为5毫米的大型“树枝状”雪晶。小于钻石尘的晶体太轻而无法掉落到地面上，因此它们仍保持在高空，而较大的晶体则易碎，因此它们会在微风中破裂，如图5所示。

图5 部分破碎的雪片的SEM图

雪花是怎样形成的？

      但是，是什么导致雪花首先开始形成的呢？当在云中发现两个特殊条件时会发生这种情况：过饱和和过冷，并且雪晶的最终形状可以揭示这些条件如何变化。

过饱和

     当空气中的水蒸气多于正常的湿度极限（100％）时，就会发生过饱和。在每个温度下，空气中可以吸收的水蒸气量最大。温度越高，可容纳的水蒸气越多。但是，如果冷却已经相对湿度为100％的空气，则空气变得过饱和，并且这种情况不稳定。结果，过量的水蒸气要么结晶成水滴，要么直接结晶成冰。

过冷

      低于0°C的液态水的存在称为过冷。出乎意料的是，如果将一滴纯水冷却至其冰点以下，它不会冻结，这是因为该滴液体中的分子具有热运动，阻止了其结晶。实际上，在冻结发生之前，温度必须降至-42°C。相比之下，一滴自来水很容易在0°C冻结，这是因为液体中包含的杂质会提供水分子可以粘附的表面（称为成核作用），从而降低了热运动的影响，从而提高了冰点。如果您可以在显微镜下观察该过程，您会逐渐看到更多的水分子连接起来形成微小的冰晶。如果晶体大于临界尺寸，它将生长，但如果 如果分子太小，分子将再次分裂。云中也会发生同样的事情。

       图5.如何生成雪花。当一些分子围绕微小杂质成核时，雪晶开始生长。当地条件的变化会随后改变晶体的形状和大小。

真的没有两个雪花是一样的吗？

       不同的温度和湿度对雪花的形态有着直接的影响，图6显示了不同温度以及湿度对于雪花形态的影响，因此，雪花的结构和成分可以告诉科学家雪花形成时云内部经历的温度条件。

      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。

      当时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。

      当时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。

      当时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。

     进一步观察雪花的超微结构需要用到冷冻样品台的扫描电镜，可以看出其细节的特点，如图7所示，雪花一个分支是存在对称性的，但是也不是完美对称的，会存在少许的不同。

图6 温度和湿度对雪花形态的影响


图7 雪花的SEM图像

图8 雪花的SEM图像显超显微结构

      通过进一步对雪花细节的观察，（图8）可以看出，雪花的组成并不是想象的是由一个单一的晶体组成，而是由无数个细小的小冰晶颗粒组成的具有对称性的六边形结构。由此超微结构来看雪花，是不可能存在两个完全一样的雪花的。我们还可以看出每个小冰晶之间都是存存在缝隙的，这样组成的雪花的密度也就远远小于致密的冰粒，这也就解释了为什么雪花的下落速度会远远小于水珠的下落速度，并且会随风飘荡在空中。