雪花如此美麗，它是如何形成的？

在寒冷的冬天，許多地方都會下雪。面對紛紛揚揚飄落的雪花，你有想過它們是如何產生的嗎？為什麽下雪的時候從天下掉下來的是美麗的六邊形雪片而不是一顆一顆的冰粒？今天我們就從科學的角度討論雪花是如何生成的。

高空的雲層

雪花誕生於高空中寒冷的雲層。在我們的大氣層的有些區域充滿著水分子，這些水分子通常是由地面水氣蒸發上升到空中，再經由大氣流動輸送聚集到一起，它們在空氣裡呈現飽和狀態。隨著溫度降低到露點，水分子的振動速度減慢，慢慢地聚攏在一起形成一個一個的小液滴，這種現象被稱為“結露”，於是我們看見了霧或雲。由於范德華力的作用，空氣中的小液滴相互之間會保持一定的距離，隨著溫度的進一步降低，水冷凝的速率大於其蒸發的速率，雲中的水滴會越來越多，雲也會越來越濃厚。

如果空氣非常乾淨，沒有灰塵充當凝結核，即便是溫度下降到-38℃，雲層中的小水滴也不會結冰，它們被稱為過冷水。但雲層中或多或少都存在一些細小的顆粒物，於是一部分過冷的水滴會附著在這些顆粒物上，迅速凝結成小冰晶。所以，在寒冷的冬天，我們頭頂上的雲層裡便充斥著無數個小冰晶和過冷的小水滴。事實上，即便是在盛夏，因為高空雲層的溫度低於0℃，這裡的雲層中也一樣存在許多小冰晶和過冷的小水滴，冰雹就是在這樣的雲層中形成的。

冰核形成

無論是小小的雪片還是碩大的冰雹，它們都是從雲層中一粒小小的冰核開始的。

在寒冷雲層中儘管有無數多的小水滴，隨著雲的流動，小水滴會不可避免地發生相互碰撞，但碰撞常常並不能使它們聚集成一個更大的水滴，這是因為水滴表面的水分子由氫鍵的力來相互拉扯在一起，形成表面張力。水的表面張力會在一定程度拒絕其它分子“加塞”，從而使水滴保持相對穩定的狀態。

我們在前節提到，寒冷雲團中存在著一些冰晶，相對於水滴來說，冰的飽和蒸氣壓更低。雲層中的水蒸氣在與水滴相互作用時可能會處於100％相對濕度的飽和狀態，但是當與冰粒相互作用時，相同量的水蒸氣會過飽和。水蒸氣將試圖恢復平衡，因此多餘的水蒸氣會在冰晶顆粒表面凝結成冰，於是這些冰晶會越長越大，進而形成冰核。

現在你明白了，在冷雲中，水滴不容易聚集，但冰晶比較容易長大。這個過程通常只在0℃~-38℃的溫度範圍內發生，當溫度低於-38℃時，雲中的過冷水滴會自發地凝結成冰晶，不再需要灰塵充當凝結核。

雪花的成長

我們知道，由於水分子之間結合方式不同，冰的密度低於水。因此在雲層飽和的水蒸氣裡，冰晶會更輕，它漂浮在雲層中，不容易掉落下來，這也為冰晶的長大創造了條件。

隨著水蒸氣在冰晶表面凝結成冰，冰晶長大成為冰核，它的表面積也越來越大並開始下降，這使得冰核有更多的機會與周圍的水分子和小水滴碰撞，過冷的小水滴碰到冰核後會快速蒸發並通過氣相沉積在冰的表面結晶。

最初形成的冰晶是六邊形的棱柱體，這是由水分子相互之間結合排列方式決定的。隨著冰晶在雲層中翻滾運動，它周圍的水分子有相同的機率在冰晶表面凝結，並在其六個角上均勻生長，於是我們看到的雪花大多呈規則的六角薄片形狀。事實上並不是所有雪花都呈現六個角，自然界的雪花有許多是12個角，這是由兩片雪花在雲層中相互碰撞粘合形成的。

雪花的形狀

雪花的最終形狀取決於它在雲層中運動的路徑，由於沒有兩片雪花走的路徑完全相同，因此世界上不存在兩片形狀完全相同的雪花。

雪花的每個角都獨立生長，它們之所以看起來非常相似，對於同一片雪花來說，它所有的角在雲層中所處的環境都非常類似，周圍的水分子可以有近似的條件在雪花的枝杈上結晶。

但如果你仔細觀察大多數雪花，也總能找出細微的差異，雪花在雲層中生長的速度越快，這些枝杈的形狀差異就越大。大多數擁有蕨葉枝杈的雪花生長的速度都比較快，因此你可以很容易地從它上面找到不對稱和不規則的地方。

鵝毛大雪

最大的雪片僅有一元硬幣大小，我們常見的“鵝毛大雪”通常是雪片在下落的過程中互相碰撞粘連形成的。當雪花離開寒冷的雲層開始下降，下方稍暖的空氣會加熱它，使其表面溫度升高，在環境溫度達到-5℃左右時，冰開始融化，使雪片表面潮濕並具有粘性。不同速度下落的雪片相碰時會粘接在一起形成更大的團簇，粘接的雪片越多，雪花就越大，最大的雪花據說可以達到38厘米寬。

總結：

所有的雪花都誕生於高空寒冷潮濕的雲層之中。雲中的水分子因為低溫凝聚成細小的水滴，隨著溫度的進一步降低，一部分與灰塵凝結成冰晶，另一些過冷的水滴會凝結在這些冰晶上形成冰核，進而長大成雪花。

由於冰中水分子排列的緣故，冰晶大多呈現六棱柱的形狀，水分子在六棱柱表面生長，使得雪花大多呈六角形，但雪花的形狀與它生長環境的溫度、濕度和生長速度密切相關。鑒於雲層中混沌的狀態以及運動軌跡的差別，世界上並不能找到兩片完全相同的雪花，也不會產生完全對稱和規則的雪片。

混亂和秩序都存在於雪花的生長過程中，這就是雪花圖案如此迷人的原因