沒有
下雪時的景致美不勝收,但科學家和工藝美術師贊嘆的還是小巧玲瓏的雪花圖案.遠在一百多年前,冰川學家們已經開始詳細描述雪花的形態(tài)了.
西方冰川學的鼻祖丁鐸耳在他的古典冰川學著作里,這樣描述他在羅扎峰上看到的雪花：“這些雪花……全是由小冰花組成的,每一朵小冰花都有六片花瓣,有些花瓣象山蘇花一樣放出美麗的小側舌,有些是圓形的,有些又是箭形的,或是鋸齒形的,有些是完整的,有些又呈格狀,但都沒有超出六瓣型的范圍.”
在我國,早在公元前一百多年的西漢文帝時代,有位名叫韓嬰的詩人,他寫了一本《韓詩外傳》,在書中明確指出,“凡草木花多五出,雪花獨六出.”
雪花的基本形狀是六角形,但是大自然中卻幾乎找不出兩朵完全相同的雪花,就象地球上找不出兩個完全相同的人一樣.許多學者用顯微鏡觀測過成千上萬朵雪花,這些研究最后表明,形狀、大小完全一樣和各部分完全對稱的雪花,在自然界中是無法形成的.
在已經被人們觀測過的這些雪花中,再規(guī)則勻稱的雪花,也有畸形的地方.為什么雪花會有畸形呢?因為雪花周圍大氣里的水汽含量不可能左右上下四面八方都是一樣的,只要稍有差異,水汽含量多的一面總是要增長得快一些.
世界上有不少雪花圖案搜集者,他們象集郵愛好者一樣收集了各種各樣的雪花照片.有個名叫賓特萊的美國人,花了畢生精力拍攝了近六千張照片.蘇聯(lián)的攝影愛好者西格尚,也是一位雪花照片的攝影家,他的令人銷魂的作品經常被工藝美術師用來作為結構圖案的模型.日本人中谷宇吉郎和他的同事們,在日本北海道大學實驗室的冷房間里,在日本北方雪原上的帳篷里,含辛茹苦二十年,拍攝和研究了成千上萬朵的雪花.
但是,盡管雪花的形狀千姿百態(tài),卻萬變不離其宗,所以科學家們才有可能把它們歸納為前面講過的七種形狀.在這七種形狀中,六角形雪片和六棱柱狀雪晶是雪花的最基本形態(tài),其它五種不過是這兩種基本形態(tài)的發(fā)展、變態(tài)或組合.
早在公元前的西漢時代,《韓詩外傳》中就指出：“凡草木花多五出,雪花獨六出.”雪的基本形狀是六角形.但在不同的環(huán)境下,卻可表現(xiàn)出各種樣的形態(tài).
世界上有不少雪花圖案收集者,他們收集了各種雪花圖案.有人花了畢生精力拍攝了成千上 萬張雪花照片,發(fā)現(xiàn)將近有六千種彼此不同的雪花,但他死前認為這不過是大自然落到他手中的少部分雪花而已.以致于有人說沒有兩朵大小和形狀完全相同的雪花.
為什么雪花的基本形態(tài)是六角形的片狀和柱狀呢?
這和水汽凝華結晶時的晶體習性有關.水汽凝華結晶成的雪花和天然水凍結的冰都屬于六方晶系.我們在博物館里很容易被那純潔透明的水晶所吸引.水晶和冰晶一樣,都是六方晶系,不過水晶是二氧化硅（SiO2）的結晶,冰晶是水（H2O）的結晶罷了.
六方晶系具有四個結晶軸,其中三個輔軸在一個基面上,互相以60o的角度相交,第四軸(主晶軸)與三個輔軸所形成的基面垂直.六方晶系最典型的代表就象是幾何學上的一一個正六面柱體.當水汽凝華結晶的時候,如果主晶軸比其它三個輔軸發(fā)育得慢,并且很短,那么晶體就形成片狀；倘若主晶軸發(fā)育很快,延伸很長,那么晶體就形成柱狀.雪花之所以一般是六角形的,是因為沿主晶軸方向晶體生長的速度要比沿三個輔軸方向慢得多的緣故.
千姿百態(tài)的雪花
對于一片六角形雪片來說,由于它表面曲率不等(有凸面、平面和凹面),各面上的飽和水汽壓力也不同,因此產生了相互間的水汽密度梯度,使水汽發(fā)生定向轉移.水汽轉移的方向是凸面→平面→凹面,也就是從曲率大的表面,移向曲率小的表面.六角形雪片六個棱角上的曲率最大,邊棱部分的平面次之,中央部分曲率最小.這樣,就使六角形雪片一直處在定向的水汽遷移過程中.由于棱角上水汽向邊棱及中央輸送,棱角附近的水汽飽和程度下降,因而產生升華現(xiàn)象.中央部分由于獲得源源不斷的水汽而達到冰面飽和,產生凝華作用.這種凝華結晶的過程不斷進行,六角形雪片逐漸演變成為六棱柱狀雪晶.（雪片上水汽遷移示意圖：fig42）
這是假定外部不輸送水汽的理想狀況.事實上,事物與周圍環(huán)境保持著密切的聯(lián)系,空氣里總是或多或少存在著水汽的.如果周圍空氣輸人水汽較少,少到不夠雪片的棱角向中央輸送水汽的數(shù)量,那么雪片向柱狀雪晶的發(fā)展過程繼續(xù)進行.在溫度很低水汽很少的高緯和極地地區(qū),便因為這個原因經常降落柱狀雪晶.
空氣里水汽飽和程度較高的時候,出現(xiàn)另外一種情況.這時周圍空氣不斷地向雪片輸送水汽,使雪片快速地發(fā)生凝華作用.凝華降低了雪片周圍空氣層中的水汽密度,反過來又促進外層水汽向內部輸送.這樣,雪片便很快地生長起來.當水汽快速向雪片輸送的時候,六個頂角首當其沖,水汽密度梯度最大.來不及向雪片內部輸送的水汽,便在頂角上凝華結晶；這時,頂角上會出現(xiàn)一些突出物和枝杈.這些枝叉增長到一定程度,又會分叉.次級分叉與母枝均保持60的角度,這樣,就形成了一朵六角星形的雪花.
在高山或極地的晴朗天氣里,還可見到一種冰針,象寶石一樣閃爍著瑰麗的光彩,人們把它叫做鉆石塵.冰針的生長有二種情況：一種是在嚴寒下(-30℃以下)濕度很小時水汽自發(fā)結晶的結果,另一種是在溫度較高(-5℃左右)濕度較大時沿著雪片某一條輔軸所在的頂角特別迅速生長的產物,是雪花的畸形發(fā)展.
形形色色的雪花晶體在天空生成后,當它們的直徑達到50微米時,便能克服空氣的浮力而開 始作明顯的下降運動,一邊飄逸下降一邊繼續(xù)生長變化.這樣一來,便產生了形式紛紜繁多的雪花.我們只要把它們接納在黑呢子或黑天鵝絨上,就能用肉眼初步辨別出它們的形態(tài)來.
雪花有多大
詩人李白在形容燕山雪花時有一句著名詩句：“燕山雪花大如席”.雪花真的有那么大嗎?其實,雪花是很小的.不要說“大如席”的雪花科學史上沒有記錄,就是“鵝毛大雪”,也是不容易遇到的.
事實上,我們能夠見到的單個雪花,它們的直徑一般都在0.5～3.0毫米之間.這樣微小的雪花只有在極精確的分析天平上才能稱出它們的重量,大約3000～10000個雪花加在一起才有一克重.有位科學家粗略統(tǒng)計了一下,一立方米的雪里面約有60～80億顆雪花,比地球上的總人口數(shù)還要多.
雪花晶體的大小,完全取決于水汽凝華結晶時的溫度狀況.在非常嚴寒時形成的雪晶很小,幾乎看不見,只有在陽光下閃爍時,人們才能發(fā)現(xiàn)它們象金剛石粉末似地存在著.
據研究,溫度對雪晶大小存在影響：當氣溫為-36℃時,雪晶的平均面積是0.017平方毫米；當氣溫為-24℃時,平均面積是0.034平方毫米；氣溫為-18℃時,平均面積是0.084平方毫米,-6℃時,為0.256平方毫米,氣溫在-3℃時,雪晶的平均面積增大到0.811平方毫米.
人們有種錯誤的感覺,這種感覺常常是從有些文學作品描寫天氣嚴寒時,喜歡用“鵝毛大雪”來形容.其實,“鵝毛大雪”是氣溫接近0℃左右時的產物,并不是嚴寒氣候的象征.相反,雪花越大,說明當時的溫度相對比較高.三九嚴寒很少出現(xiàn)鵝毛大雪,只有在秋末初冬或冬末初春時,才有可能下鵝毛大雪.所謂的鵝毛大雪,其實并不是一顆雪花,而是由許多雪花粘連在一起而形成的.單個的雪花晶體,直徑最大也不會超過10毫米,至多象我們指甲那樣大小,稱不上鵝毛大雪.
在溫度相對比較高的情況下,雪花晶體很容易互相聯(lián)結起來,這種現(xiàn)象稱為雪花的并合.尤其當氣溫接近0℃,空氣比鉸潮濕的時候,雪花的并合能力特別大,往住成百上千朵雪花并合成一片鵝毛大雪.因此,嚴格地說,鵝毛大雪并不能稱為雪花,它僅僅是許多雪花的聚合體而已.
工降雪
自古以來,老天爺一直是高興下雪就下雪,不高興就不下.有沒有辦法使老天爺根據人類的需要,讓它下雪就下雪呢?
辦法是有的,這就是人工降雪.
天上的水汽要變成雨雪降下來必須具備兩個條件,一個是必須有一定的水汽飽和度（主要與溫度有關）,另一個是必須有凝結核.因此,人工降雪首先必須天空里有云,沒有云就象巧婦難做無米之炊一樣,下不了雪.能下雪的云,棸0℃以下的“冷云”.在冷云里,既有水汽凝結的小水滴,也有水汽凝華的小雪晶.但它們都很小很輕,倘若不存在繼續(xù)生長的條件,它們只能象煙霧塵埃一樣懸浮在空中,很難落下來.我們在冬天里經常能看到大塊大塊的云彩,就是不見雪花飄下來,因為組成這些云彩的雪晶太小,克服不了空氣的浮力,降水能力很差.如果在云層里噴撒一些微粒物質,促進雪晶很快地增長到能夠克服空氣的浮力降落下來,這就是人工降雪的功勞.
噴撒什么物質能夠促使雪晶很快增長呢? 早期,人們各顯神通采用過許多有趣的方法.這些方法主要有：在地面上縱火燃燒,把大量煙塵放到天空里；用大炮襲擊云層；利用風箏高飛云中,然后在風箏上通電,閃放電花；乘坐飛機鉆進云層噴灑液態(tài)水滴和塵埃微粒.但是,這些方法的效果都很不理想. 直到1946年,人們才發(fā)現(xiàn)把很小的干冰微粒投入冷云里,能形成數(shù)以百萬計的雪晶.當年1l月3日,有人在飛機上把干冰碎粒撒到溫度為-20℃的高積云頂部,結果發(fā)現(xiàn)雪從這塊云層中降落下來.
這里所說的干冰不是由水凍結的冰,而是二氧化碳的固體狀態(tài),很象冬天壓結實的雪塊.干冰的溫度很低,在-78.5℃以下.把干冰晶體象天女散花似地噴撒在冷云里,每一顆二氧化碳晶體都成為一個劇冷中心,促使冷云里的水汽、小水滴和小雪晶很快地集結在它的周圍,凝華成較大的雪花降落下來.
現(xiàn)在常用碘化銀來人工降雪.碘化銀是一種黃顏色的化學結晶體,平時作為照相材料里的感光劑使用.碘化銀的晶體與雪晶的六角形單體尺寸非常相似,它們單體里的原子排列也十分近似,兩者的晶格間距也很接近(碘化銀是4.58埃,雪晶是4.52埃).因此,把碘化銀微粒撒在降水能力較差的云層里,使它“冒名”頂替雪晶,便能讓云中的水汽和小水滴在“冒名”的晶體上凝華結晶,變成雪花.
怎樣把這些凝結核散布到云層中呢?現(xiàn)代人大多使用大炮,把化學藥品裝在炮彈里,然后用大炮發(fā)射到云層里去的.不過這種方法噴撒不均勻,藥品浪費較大,增加了人工降雪的成本.還有人把它們裝在土火箭里,讓火箭飛到云里去噴撒.
一般來說,人工降雪比人工降雨的成功率更大.人工降雨可以增加大約20%的雨量,而在高山高寒地區(qū),人工降雪卻能增加30～40%的降水量.這是因為高山高寒地區(qū),溫度低,水汽容易達到飽和狀態(tài),同時,雪晶比雨滴更容易形成.只要人工給大氣增加一些結晶核,比較容易促進降雪.