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下雪的窍门

2021-12-28许秀华插图玖月

科学大众 2021年23期
关键词:枝杈冰晶容纳

■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。

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