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标题: ◆◆绝美！显微镜下的雪花（多图）◆◆ [打印本页]

作者: 芳芳 时间: 2004-8-9 20:57 标题: ◆◆绝美！显微镜下的雪花（多图）◆◆

雪的结晶充满谜团
上世纪初，对冰雪做过专项研究的日本物理学家中谷宇吉郎博士曾把雪比做“来自天空的信使”，并查明千差万别的雪的结晶形式取决于高空气温高低和水蒸气的多少。如今，北海道大学低温研究所的古川义纯副教授作为中谷博士的后继者，在雪的结晶形状方面正在深入开展研究。
雪花不会自己凭空产生，它必须依托同温层以下空气中一颗颗肉眼看不到的微尘粒子做晶核，水蒸气的水分子在冷空气作用下围着它一层又一层地凝结，晶核就从中央向外长大。形成一颗雪晶体大约要用5分钟时间，在这段时间里，造雪环境中的气流始终升降浮沉，动荡不定，但水蒸气必须保持等量作用于晶核的周边。空中云层的厚度、湿度、温度对雪花的形态有极大的影响，星形雪花的形成要求较大的湿度，而湿度较小的云层易于形成片状、粉末状雪花。其实雪花的个体是极其微小的，直径在0.5-3mm之间，5000颗雪花放在精密天平上才不过1克，在显微镜下观察非常美丽。普通水的水质取决于重水含量，含量高水质差，相反水质较好，通常情况下7千克水含有1克重水，而7千克雪水只含0.25克重水，可见雪水生化性能要好得多。雪水丰足，开春麦田就长得好。春耕浸泡种子时，重水比例大发芽率低，如果用雪水浸湿种子就如鱼得水了。
云层是雪花孕育的地方，雪花产生于云层中的这些小晶核，晶核生长的形状有三种趋势：长而细的六棱柱形晶柱、两头尖尖有如一根针的晶针和很薄的六边形晶片。如果它们周围的水气浓度较低，冰晶的增长就很慢，而且各边均匀增长；如果周围水气浓度较大，那么增长过程中不仅体积会增大，形状也会改变，最常见的就是天空中飘落的六边形雪花。为什么都倾向于六边形呢？原来冰晶增长时要消耗附近的水气，所以，越靠近冰晶的地方水气越稀薄，稍远处的水气自然过来补充，它们首先遇到的就是正在向前伸展的尖角，于是，各个尖角迅速加长，逐渐成为树枝状。同样原因，这些“树枝”上又长出新小枝杈，周而复始就形成了我们所见到的六边形雪花。形成雪花之前的冰晶受周围环境的影响，位于底面上的正六边形和侧面长方体的晶体生长速度出现差异，形状也相应发生变化，比如气温会给结晶的表面带来微妙变化，接近0°C度时底面水平扩展成六边形，-5°C时形成针状，降到-5~-10°C时侧面上开始生成正六棱柱体及侧面镂空的六棱柱体，-15°C时形成树枝状，在降至-10~-21°C时，正六边形又开始扩展，继而再生成六棱柱体。
周围水蒸气含量较少时，生成过程也较慢，而且不易出现复杂形状。相反，水蒸气含量越大，生成速度越快形状也越复杂。被人们称做“雪花”的树枝状雪晶往往生成于-15°C左右、含有大量水蒸气的环境中。尽管晶体的形成速度取决于温度及水蒸气浓度，但空气中的其他气体也会影响它的形成。实验表明，在只有水蒸气的真空空间里形成的冰晶几乎都有单三棱柱体，而在天空中形成的晶体则呈现针状和六棱柱形状。经过计算机计算可以再现冰晶向六个方向延伸的形状，而中途分叉，呈现树枝状的原因却始终无法解释，如照片所示，美妙无比的点对称的分枝方式，其产生机理，至今仍是一个难解之谜。

美的晕倒！
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雪花为什么是六角形的？
早在公元前的西汉时代，《韩诗外传》中就指出：“凡草木花多五出，雪花独六出。”雪的基本形状是六角形。但在不同的环境下，却可表现出各种样的形态。
世界上有不少雪花图案收集者，他们收集了各种雪花图案。有人花了毕生精力拍摄了成千上万张雪花照片，发现将近有六千种彼此不同的雪花，但他死前认为这不过是大自然落到他手中的少部分雪花而已。以致于有人说沒有两朵大小和形状完全相同的雪花。
为什么雪花的基本形态是六角形的片状和柱状呢?
这和水汽凝华结晶时的晶体习性有关。水汽凝华结晶成的雪花和天然水冻结的冰都属于六方晶系。我们在博物馆里很容易被那纯洁透明的水晶所吸引。水晶和冰晶一样，都是六方晶系，不过水晶是二氧化硅（SiO2）的结晶，冰晶是水（H2O）的结晶罢了。
六方晶系具有四个结晶轴，其中三个辅轴在一个基面上，互相以60o的角度相交，第四轴(主晶轴)与三个辅轴所形成的基面垂直。六方晶系最典型的代表就象是几何学上的一一个正六面柱体。当水汽凝华结晶的时候，如果主晶轴比其它三个辅轴发育得慢，并且很短，那么晶体就形成片状；倘若主晶轴发育很快，延伸很长，那么晶体就形成柱状。雪花之所以一般是六角形的，是因为沿主晶轴方向晶体生长的速度要比沿三个辅轴方向慢得多的缘故。

晶体是生长出来的。一般都是中间有个小的尘埃然后在液体中生长出来。如果温度很低，晶体就生长的快，于是就会边线的更尖锐，如果温度比较高，晶体生长的慢，就会比较厚实。六角形是由于水分子形成晶体时排列街头所造成的。就像拿六边形的东西去拼意见东西一样，由于晶体各向异性，所以排列到后来也肯定是六边形的。不过雪花是这样，很多东西都这样，铁，金，铜，所有的金属都是晶体，只不过是多晶体和单晶体之分。显微镜下都很好看的。

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