下雪的竅門

■文/許秀華 ■插圖/玖月

一片兩片三四片……

踏雪尋梅，是中國古代文人在寂寞寒冬中內(nèi)心追求的一份雅致。名列“揚(yáng)州八怪”的清代書畫家鄭板橋，即《詠雪》的作者鄭燮，更是樂此不疲?？?，踏雪尋梅中，他不厭其煩地?cái)?shù)著雪花的片數(shù)。雪花紛紛，越下越大，最后千片萬片飛到盛開的梅花中，都不見了蹤影。原來，揚(yáng)州地處長三角，氣候溫暖，落在梅花上的雪花很快就融化成了晶瑩的水珠。

詠雪

〔清〕鄭燮

一片兩片三四片，

五六七八九十片。

千片萬片無數(shù)片，

飛入梅花都不見。

詩詞中的科學(xué)

為何水的固體不一

冰是水的固體，雪花也是水的固體。水的固體為何有時(shí)是冰，有時(shí)是雪花？

水是由水分子組成的。在水的固體、液體、氣體三態(tài)變化中，水分子自身沒有改變，改變的是水分子之間的距離。

冰是由液體的水凝固而來的，雪花則是由氣態(tài)的水蒸氣凝華而成的。凝固和凝華一字之差，卻代表著不同的物理過程。物體從液體變成固體叫作凝固，物體從氣體變成固體叫作凝華。

液態(tài)水中，水分子之間距離小。凝固成冰后，冰中的水分子距離變小，冰的體積很難被壓縮。水蒸氣中，水分子之間距離大。凝華成雪花后，水分子的距離變大。一大團(tuán)雪，可以輕易地用手攥成一小團(tuán)冰。

為何夏天下雨、冬天下雪

為什么冬天下雪？這是因?yàn)樵诙斓母呖罩?，云中的水汽更容易形成冰晶，而不是水滴。不論下雨或者下雪，都需要高空中水汽飽和?/p>

什么叫作水汽飽和？把白糖往盛滿水的水杯里加，加到一定程度，白糖就不再溶解了，而是以固體的形式沉積在水杯底部。水能容納的白糖是有限度的，這叫作飽和溶解度。

蒸鍋里蒸食物時(shí)，一團(tuán)團(tuán)水蒸氣裊裊升起，最后消失在空氣中。好像有多少水蒸氣，空氣就能接納多少似的。而實(shí)際上，空氣對(duì)水蒸氣不是無限度接納的。在不同的溫度下，空氣能夠容納的水蒸氣比例是不同的。溫度越高，空氣能容納的水蒸氣比例極限值越大；溫度越低，空氣能容納的水蒸氣比例極限值越小。這個(gè)極限值，叫作飽和水汽壓。

在一定溫度下，空氣的水汽容納能力已經(jīng)達(dá)到飽和后，當(dāng)溫度降低時(shí)，就沒法繼續(xù)容納之前那么多水汽了，會(huì)在經(jīng)歷短暫的過飽和狀態(tài)后將水汽釋放出來，從而達(dá)到在降低了溫度下的水汽飽和狀態(tài)。

在冬季的高空低溫環(huán)境中，水汽的含量比夏季少，空氣中的水汽過飽和程度也比夏天低。由于冰晶生長所要求的水汽過飽和程度比水滴要低，冰晶的形成比水滴更加容易。所以，冬天會(huì)下雪，夏天會(huì)下雨。

為什么雪花會(huì)長成美麗的六角星

雪的形成還要求空氣里必須有凝結(jié)核，這是一些懸浮在空中的很微小的固體微粒。從空氣中析出的水蒸氣可以在凝結(jié)核上進(jìn)行固化。

在水蒸氣凝華過程中，常見的凝結(jié)核是小冰晶。高空中形成的小冰晶以六角形居多。雪花開始凝結(jié)時(shí)，最開始的形狀就是六角形。為什么雪花沒有長成實(shí)心的六角形，而長成了六角星呢？我們來分析云中的水蒸氣凝華的動(dòng)態(tài)過程。

隨著水蒸氣不斷地被吸附在冰晶上，冰晶附近的水汽不斷被消耗，導(dǎo)致這里的水蒸氣過飽和程度降低，水汽反而不易凝結(jié)。

冰晶周圍的寒冷空氣在遇到向外凸起的六角形頂角時(shí)，會(huì)率先凝華。于是，中心部位出現(xiàn)了被凝華的冰晶圍起來的空當(dāng)兒。這些空當(dāng)兒和外圍不斷延伸的凝華冰晶結(jié)合在一起，就形成了雪花的圖案。

之后，隨著雪花不斷長大，水汽繼續(xù)在6個(gè)“枝杈”、6個(gè)角棱，以及衍生出來的新“枝杈”上不斷凝華。而與此同時(shí)，在凝華發(fā)生后，凝華部位附近的水汽過飽和程度降低，繼續(xù)形成空當(dāng)兒。在水汽凝華的同時(shí)，雪花的一些部位還會(huì)發(fā)生升華現(xiàn)象，一些冰晶會(huì)直接變成水蒸氣。于是，在雪花結(jié)構(gòu)內(nèi)部又出現(xiàn)了新的空當(dāng)兒，使得雪花的圖案越來越精巧、越來越復(fù)雜，最后就形成了我們熟悉的六角星雪花。

在雪花形成過程中，每片雪花以及雪花中每個(gè)“枝杈”所處的微環(huán)境又是不同的。有些雪花或雪花“枝杈”周圍水汽過飽和程度高，水汽凝華多，雪花的“枝條”就會(huì)粗壯一些。若周圍水汽過飽和程度低，則雪花的“枝條”就纖細(xì)一些。所以，每片雪花都是不一樣的。

而由于每次下雪時(shí)，高空的水汽和溫度情況也有差異，雪花的形成也有很大不同。于是，我們?cè)诹切茄┗ㄖ?，還能看到有著3個(gè)“枝杈”、12個(gè)“枝杈”，甚至18個(gè)“枝杈”的雪花。

雪花

冰雹

為什么冬天下雪不下冰，地上結(jié)冰不結(jié)雪

其實(shí)，天上也是會(huì)下冰的，地上也是會(huì)結(jié)雪的。

春夏之交或者盛夏，天上會(huì)掉下來小冰球，這就是冰雹。秋冬或者早春，我們會(huì)看到清晨的地面、樹枝或者窗玻璃上覆蓋著一層薄薄的“雪花”，這就是霜。

冰雹是一個(gè)個(gè)小冰球，這些小冰球要在高空從小到大地形成。為此，在小冰球長大的時(shí)候，必須有一股上升的氣流，像托盤一樣托住它們，不讓其掉下來。而在夏季，由于地面較熱，往往會(huì)形成較強(qiáng)的上升氣流，所以冰雹往往出現(xiàn)在夏季，而不是秋冬季。

而在秋冬季，夜晚的氣溫會(huì)比白天降低很多。在白天氣溫高的時(shí)候，空氣對(duì)水蒸氣的容納能力強(qiáng)。夜晚，隨著氣溫的降低，空氣容納水蒸氣的能力下降。所以，溫度降低后，空氣中的水蒸氣就會(huì)析出，凝結(jié)在物體表面，形成霜。