下雪的窍门
2021-12-28许秀华插图玖月
■文/许秀华 ■插图/玖月
一片两片三四片……
踏雪寻梅，是中国古代文人在寂寞寒冬中内心追求的一份雅致。名列“扬州八怪”的清代书画家郑板桥，即《咏雪》的作者郑燮，更是乐此不疲。看，踏雪寻梅中，他不厌其烦地数着雪花的片数。雪花纷纷，越下越大，最后千片万片飞到盛开的梅花中，都不见了踪影。原来，扬州地处长三角，气候温暖，落在梅花上的雪花很快就融化成了晶莹的水珠。
咏雪
〔清〕郑燮
一片两片三四片，
五六七八九十片。
千片万片无数片，
飞入梅花都不见。
诗词中的科学
为何水的固体不一
冰是水的固体，雪花也是水的固体。水的固体为何有时是冰，有时是雪花？
水是由水分子组成的。在水的固体、液体、气体三态变化中，水分子自身没有改变，改变的是水分子之间的距离。
冰是由液体的水凝固而来的，雪花则是由气态的水蒸气凝华而成的。凝固和凝华一字之差，却代表着不同的物理过程。物体从液体变成固体叫作凝固，物体从气体变成固体叫作凝华。
液态水中，水分子之间距离小。凝固成冰后，冰中的水分子距离变小，冰的体积很难被压缩。水蒸气中，水分子之间距离大。凝华成雪花后，水分子的距离变大。一大团雪，可以轻易地用手攥成一小团冰。
为何夏天下雨、冬天下雪
为什么冬天下雪？这是因为在冬天的高空中，云中的水汽更容易形成冰晶，而不是水滴。不论下雨或者下雪，都需要高空中水汽饱和。
什么叫作水汽饱和？把白糖往盛满水的水杯里加，加到一定程度，白糖就不再溶解了，而是以固体的形式沉积在水杯底部。水能容纳的白糖是有限度的，这叫作饱和溶解度。
蒸锅里蒸食物时，一团团水蒸气袅袅升起，最后消失在空气中。好像有多少水蒸气，空气就能接纳多少似的。而实际上，空气对水蒸气不是无限度接纳的。在不同的温度下，空气能够容纳的水蒸气比例是不同的。温度越高，空气能容纳的水蒸气比例极限值越大；温度越低，空气能容纳的水蒸气比例极限值越小。这个极限值，叫作饱和水汽压。
在一定温度下，空气的水汽容纳能力已经达到饱和后，当温度降低时，就没法继续容纳之前那么多水汽了，会在经历短暂的过饱和状态后将水汽释放出来，从而达到在降低了温度下的水汽饱和状态。
在冬季的高空低温环境中，水汽的含量比夏季少，空气中的水汽过饱和程度也比夏天低。由于冰晶生长所要求的水汽过饱和程度比水滴要低，冰晶的形成比水滴更加容易。所以，冬天会下雪，夏天会下雨。
为什么雪花会长成美丽的六角星
雪的形成还要求空气里必须有凝结核，这是一些悬浮在空中的很微小的固体微粒。从空气中析出的水蒸气可以在凝结核上进行固化。
在水蒸气凝华过程中，常见的凝结核是小冰晶。高空中形成的小冰晶以六角形居多。雪花开始凝结时，最开始的形状就是六角形。为什么雪花没有长成实心的六角形，而长成了六角星呢？我们来分析云中的水蒸气凝华的动态过程。
随着水蒸气不断地被吸附在冰晶上，冰晶附近的水汽不断被消耗，导致这里的水蒸气过饱和程度降低，水汽反而不易凝结。
冰晶周围的寒冷空气在遇到向外凸起的六角形顶角时，会率先凝华。于是，中心部位出现了被凝华的冰晶围起来的空当儿。这些空当儿和外围不断延伸的凝华冰晶结合在一起，就形成了雪花的图案。
之后，随着雪花不断长大，水汽继续在6个“枝杈”、6个角棱，以及衍生出来的新“枝杈”上不断凝华。而与此同时，在凝华发生后，凝华部位附近的水汽过饱和程度降低，继续形成空当儿。在水汽凝华的同时，雪花的一些部位还会发生升华现象，一些冰晶会直接变成水蒸气。于是，在雪花结构内部又出现了新的空当儿，使得雪花的图案越来越精巧、越来越复杂，最后就形成了我们熟悉的六角星雪花。
在雪花形成过程中，每片雪花以及雪花中每个“枝杈”所处的微环境又是不同的。有些雪花或雪花“枝杈”周围水汽过饱和程度高，水汽凝华多，雪花的“枝条”就会粗壮一些。若周围水汽过饱和程度低，则雪花的“枝条”就纤细一些。所以，每片雪花都是不一样的。
而由于每次下雪时，高空的水汽和温度情况也有差异，雪花的形成也有很大不同。于是，我们在六角星雪花之外，还能看到有着3个“枝杈”、12个“枝杈”，甚至18个“枝杈”的雪花。
雪花
冰雹
为什么冬天下雪不下冰，地上结冰不结雪
其实，天上也是会下冰的，地上也是会结雪的。
春夏之交或者盛夏，天上会掉下来小冰球，这就是冰雹。秋冬或者早春，我们会看到清晨的地面、树枝或者窗玻璃上覆盖着一层薄薄的“雪花”，这就是霜。
冰雹是一个个小冰球，这些小冰球要在高空从小到大地形成。为此，在小冰球长大的时候，必须有一股上升的气流，像托盘一样托住它们，不让其掉下来。而在夏季，由于地面较热，往往会形成较强的上升气流，所以冰雹往往出现在夏季，而不是秋冬季。
而在秋冬季，夜晚的气温会比白天降低很多。在白天气温高的时候，空气对水蒸气的容纳能力强。夜晚，随着气温的降低，空气容纳水蒸气的能力下降。所以，温度降低后，空气中的水蒸气就会析出，凝结在物体表面，形成霜。
