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        下雪的竅門

        2021-12-28 12:21:42許秀華插圖玖月
        科學(xué)大眾 2021年23期
        關(guān)鍵詞:凝華過飽和枝杈

        ■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,他不厭其煩地數(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。水的固體為何有時是冰,有時是雪花?

        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。一大團雪,可以輕易地用手攥成一小團冰。

        為何夏天下雨、冬天下雪

        為什么冬天下雪?這是因為在冬天的高空中,云中的水汽更容易形成冰晶,而不是水滴。不論下雨或者下雪,都需要高空中水汽飽和。

        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,一團團水蒸氣裊裊升起,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。而實際上,空氣對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)達到飽和后,當溫度降低時,就沒法繼續(xù)容納之前那么多水汽了,會在經(jīng)歷短暫的過飽和狀態(tài)后將水汽釋放出來,從而達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,冬天會下雪,夏天會下雨。

        為什么雪花會長成美麗的六角星

        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,最開始的形狀就是六角形。為什么雪花沒有長成實心的六角形,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,會率先凝華。于是,中心部位出現(xiàn)了被凝華的冰晶圍起來的空當兒。這些空當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“枝杈”、6個角棱,以及衍生出來的新“枝杈”上不斷凝華。而與此同時,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)形成空當兒。在水汽凝華的同時,雪花的一些部位還會發(fā)生升華現(xiàn)象,一些冰晶會直接變成水蒸氣。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“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”就會粗壯一些。若周圍水汽過飽和程度低,則雪花的“枝條”就纖細一些。所以,每片雪花都是不一樣的。

        而由于每次下雪時,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,我們在六角星雪花之外,還能看到有著3個“枝杈”、12個“枝杈”,甚至18個“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,天上也是會下冰的,地上也是會結(jié)雪的。

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

        冰雹是一個個小冰球,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,往往會形成較強的上升氣流,所以冰雹往往出現(xiàn)在夏季,而不是秋冬季。

        而在秋冬季,夜晚的氣溫會比白天降低很多。在白天氣溫高的時候,空氣對水蒸氣的容納能力強。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析出,凝結(jié)在物體表面,形成霜。

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