气象界的“冰”“雪”奇缘

文/于鹏翔

冬天来了,你生活的城市有没有下雪?你有没有堆雪人打雪仗?最近,很多同学询问关于雪的问题,比如雪为什么是六边形的呀,雪花到底有多重啊,白色的雪真的干净吗……还有同学联想到夏天的冰雹,问了一个很有意思的问题:雪花和冰雹都是冰,为什么一个在冬天一个在夏天呢?

冬天的雪

我们先来说说冬天为什么会有雪吧。说到这个话题,同学们的第一反应可能都是冬天天气冷,天上落下的雨滴被冻结成了雪。可是你要真在冰箱里试一下,就会发现无论多小的水滴遇冷也只能冻结成冰珠,并不会变成雪花。那么冬天漫天飞舞的雪花到底是从哪里来的呢?首先大家先来回忆一下,我们之前讲过空气中存在着我们看不到但又无处不在的水汽。这些水汽来自江河湖海的蒸发,也来自植物的蒸腾,而雪花正是这些水汽和高空的低温共同作用的产物。

在我们生活的对流层中,有一个现象:高度越高、气温越低。还记得前段时间四川航空一架飞机风挡玻璃破裂的事件吗?机长后来说,玻璃破裂后驾驶室的温度骤降,他握驾驶杆的手都冻僵了。这是因为风挡玻璃破裂时,飞机是在9 800米的高空,一般来说海拔每升高100米,气温会下降0.6℃,所以即使当时地面上是20℃的温暖天气,9 800米的高空中气温也仅有-40℃左右。所以,无论春夏秋冬,高空都是非常冷的,而这样的低温环境正好有利于雪花生成。此外,当高空中有足够的水汽和凝结核(微小的灰尘、粉尘等)时,雪花诞生的条件就基本满足了。在低于-5℃的低温下,水汽会直接在凝结核上结成一个小冰晶,这种由气体直接凝结成固体的现象叫作“凝华”。这个小冰晶最开始是一个小的六棱柱形状,周围的水汽会沿着这个六棱柱的六个边继续生长,逐渐呈现出雪花的形状。小雪花在空中飘来飘去,与周围的水汽不停地接触、吸附,就像一只馋嘴的小猫这里吃一点儿、那里吃一点儿,最终吃成了一片大雪花!

雪在飘动的时候,周围的温度、湿度都在不停地变化,如果温度变低,雪就会形成新的分支;如果温度升高,小雪花的顶端会变得又细又长;当温度变得更高时,小雪花的顶端会变宽。这样一来,小雪花在空中飞舞时,不仅会越“吃”越“胖”,而且随着温度高高低低,它还会不断改变形状,形成我们熟悉的六边形雪花状。当空气支撑不住胖胖的雪花时,它就会慢慢地下降到地面。而我们究竟能不能见到雪,那还要看近地面的温度,如果近地面的温度高,雪就会融化成雨;只有在近地面的温度也低于0℃时,我们才会在地面上见到一片片雪花。

夏天的雪

说完了冬天的雪,我们再来说说夏天的雹吧。雹又叫冰雹,俗称雹子。我们对冰雹最深刻的印象可能就是炎热的夏天,突然阴云密布,不一会儿一场倾盆大雨从天而降,在大雨之中夹杂着冰雹,叮叮当当敲打着窗户。要是你走在外面被小冰雹砸一下,还真有点儿疼。捡起来一看,其实冰雹就是一个实心的冰疙瘩。奇怪,炎炎夏日,这冰疙瘩是从哪里来的呢?我们刚刚说了,即使是夏天,万米高空上的气温也很低,零下几十摄氏度的低温足够形成冰疙瘩了。你可能会问,同样发源于寒冷的高空,为什么这次形成的不是雪花而是冰雹呢?这个秘密就藏在地面,夏天,地面非常炎热,会产生一股强大的上升气流,上升气流会把地面上的水汽带到高空,形成一片巨大的、像山一样的积雨云。积雨云最高的地方可以达到一万米的高空。这朵云的顶部存在大量的冰晶、雪花,但它的下部却充满水汽,水汽在云里上升,越向上温度越低,最后会形成一种叫作“过冷水”的东西,就是温度低于0℃但又没有结冰的水。这些过冷水与云层上部的冰晶、雪花碰撞,就会快速地附着在冰晶上,因为水汽非常充足,相遇的速度很快,冰晶没有形成雪花,而是形成了霰(xiàn)——一种很小的冰珠。或者有时过冷水干脆自己直接由水冻结成冰珠,形成“冻滴”。无论是霰还是冻滴,都是小冰珠,这些冰珠形成之后就会下落,一边落一边融化。正常情况下,它们会直接落向地面,形成雨。但是我们刚刚说夏天经常有非常强大的上升气流,上升的气流像一双大手把这些正在下降的冰珠又托了上去,回到高空的冰珠会与周围的过冷水相遇再次冻结,这样它的个头儿就又大了一圈,然后下落,再被热空气托起来,再“长大”一次。就这样上上下下几次之后,一颗小冰珠就长大成了一个大冰雹。这下热空气再也托不住它了,它开始不顾一切冲向地面,增大了的体积也使得它不易融化,所以最终冰雹就以冰疙瘩的形状一直落到了地面。同学们,这下你们明白为什么只有夏天才会下冰雹了吧?因为只有夏天那热腾腾的上升气流才能让天上的冰珠反复地下降、上升,最终“折腾”成一个大冰球。

说完了冬天为什么下雪、夏天为什么下冰雹,我们最后再聊一些有意思的事情吧。我们都听说过世界上没有一模一样的雪花,这句话到底有没有道理呢?其实从雪的成因上看,这句话真的很有道理,因为雪在空中经过的不同路径,决定了雪花的最终形态也是不同的。而不同的雪花几乎不可能走完全一样的路,就算它们走一样的路,不同的时间空气中的湿度和温度也是不同的。自然界中产生的雪花不可能一模一样,但在实验室里,制造出两片一模一样的雪花可难不倒科学家。美国加州理工大学的物理学博士肯尼斯·利伯布莱切特就可以制造出完全一样的雪花,方法很简单,既然雪花生长是受大气环境影响,只要在实验室中设置固定的温度、湿度和雪花的初始六边形形态,最后长出来的雪花就都是一模一样的了。

一片雪花最大可以长到约5毫米,但这并不是我们常说的“鹅毛大雪”。鹅毛大雪实际上不是一片雪,而是在下落的过程中很多片雪花相互叠加粘连形成的。而关于冰雹,大于老师只想提醒同学们,下冰雹的时候一定要在坚固的建筑物下躲避,因为冰雹可不像雪花,它可以长得很大,曾有记录,最大的冰雹直径可达10厘米以上,比我们的拳头还要大,重量能够达到776克,这样的冰雹砸到头上可是很危险的。

讲了这么多,你终于弄明白冰雹和雪之间的渊源了吧!本月,圣诞节就要到了,悄悄告诉你们我的圣诞节愿望就是——下雪!下雪!下雪!你们有什么愿望呢?欢迎来信告诉我!同学们,我们明年见!