这么多雪花，竟然找不出两片一样的？

科普中国-科普融合创作与传播 2022-01-26

　　出品：科普中国

　　制作：李瑱中国科学院大学长春光学精密机械与物理研究所

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　又到了全国各地约好了下雪的季节，你那里下雪了吗？

　　雪花纷纷扬扬地落下，让人不禁想起了南北朝时期刘义庆先生的《咏雪》，“白雪纷纷何所似”。自古人们就喜欢用美好的词汇来比喻雪，雪花像盐巴、像白糖、像鹅毛......

　　图片来源：veer图库

　　如果你专门留意过，会发现大部分雪花都是六瓣状。雪花都是六瓣的吗？雪落下的时候，为什么会形成这个形状？有两片相同的雪花吗？这就要从雪花的形成过程说起。

　　雪花的形成：冰晶主轴与辅轴的“赛跑”

　　早在西汉时期就有人总结道：“凡草木花多五出，雪花独六出”。而现在，借助于先进的摄影技术我们能够观察到，雪花的形状各异，但大部分都是六瓣状。

　　图片来源：veer图库

　　雪花的本质是冰晶，冰晶是水汽在冰核上凝华增长而形成的固态水合物，是雪花形成时的必要介质，可以看作是幼年期的雪花。随着冰晶的长大，多姿多样的雪花也就形成了。

　　谚语里面有句“下雪不冷化雪冷”，说的就是空气中的水分遇冷放热凝结成冰晶，而雪融化的时候会吸热变成水，所以会使下雪的时候气温高于化雪的时候。

　　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”。晶核是以一些尘埃为中心，与气态水分子一起在较低的温度下形成的一个物质集团，就像磁石一样，能够不断吸附周围的气态的水分子过来，让水分子围着它一层又一层地凝结、不断生长变大为固态，完成相变。

　　晶核生长的形状有两种趋势：一种是长而细的六棱柱形柱晶，有时它也会两头尖尖，有如一根针，我们称其为“针晶”；另一种是很薄的，就像用小刀切下来的薄皮状铅笔屑一样的六边形片晶。

　　冰晶雪花（图片来源：veer图库）

　　为何晶核会朝着两种不同的方向生长呢？这就要追溯到冰晶的结构。冰晶和其他一切晶体一样，其最基本的性质就是具有规则的几何外形，为了便于确定晶面各晶棱在晶体上的位置，我们人为地按照一定规则选择一个坐标轴，并称之为晶轴。在晶体中有一种叫做六方晶系，它有四根晶轴，即一根竖直轴和三根水平轴。

　　和我们在博物馆见到的水晶类似，冰晶也属于六方晶系，同样具有四个结晶轴，分为三个辅晶轴和一个主晶轴，其中三个辅晶轴互相以60°的角度相交形成一个基面上，主轴垂直于此基面。下面这张图可以帮助大家理解冰晶的结构：

　　冰晶的晶轴（图片来源：维基百科）

　　当水汽凝结成冰晶时，而且当主轴比辅轴凝结得快，发育得很长的时候，冰晶就形成柱状；相反，如果主轴比辅轴凝结得慢，那么冰晶就呈现片状。常见的雪花大部分是六角形，就是冰晶沿主轴生长速度比其他三个辅轴生长速度慢得多而导致的。

　　冰晶主轴的凝结，受这些因素的影响

　　在了解冰晶的生长机制后，我们再看看影响雪花主轴生长速度的因素。雪花主轴生长主要受温度和湿度的影响。

　　首先，温度会影响冰晶的凝结速度。温度特别低的时候，冰晶没有生长的机会，就会形成很小的雪晶，单个冰晶甚至很难被肉眼直接观察。在零下30℃时，冰晶会凝结成针状，而接近0℃时，雪花的基面大多会生长为六边形。

　　其次，湿度也会对凝结速度产生影响。湿度主要由云层中的水汽含量决定，如果空气湿度比较低，那么冰晶生长得就会很慢，大多会形成柱晶、针晶和片晶三种基本形状，例如片状、粉末状雪花；而当空气湿度较高的时候，冰晶在生长的时候就会发生形状的变化，比如形成我们熟悉的星形雪花。

　　这样我们就可以梳理一下雪花的形成过程了。前文已经提到，冰晶是由空气中的水汽凝结形成的，在冰晶生长的时候，会消耗周围的水汽，导致冰晶周围的水汽浓度下降。水汽向冰晶所在处扩散，新的水汽首先遇到冰晶的突出和角棱部分并在此凝结，使冰晶得到增长，并使突出部分逐渐成长为枝杈状。之后，因为相同的原因在枝杈和角棱处长出新的枝杈和角棱，逐渐形成我们熟悉的星状雪花。

　　片晶衍生的雪花（图片来源：veer图库）

　　柱晶衍生的雪花（图片来源：veer图库）

　　在上述理论支撑下，星状雪花的相对部位应当是对称的，形状、大小应该是相同的。但在大气中，雪花不会向上述那样有序地生长，而会受到气流、空气成分等的影响，形状也不会那么规则。

　　此外，冰晶在形成过程中是在不断运动的，所处的温度和湿度不断变化，会从适宜于形成这种形状的环境降到适宜于形成另一种形状的环境。比如雪花各个部位接触到的水汽有所不同，接触水汽多的地方生长得快、少的地方生长得慢，于是便形成了各种不同的雪花形状。

　　此外，科学家通过实验表明，在只有水蒸气的真空空间里形成的冰晶几乎都是单三棱柱体，这表明空气中的其他气体也会影响雪花的形成。

　　图片来源：http://www.snowcrystals.com

　　“鹅毛大雪”，原来是这样形成的

　　单个雪花的形状就已经是多种多样的了，而在雪花下降的过程中，各个雪花也有可能相互合并形成更大的雪花。这可能是因为碰撞摩擦生热沾附在一起，可能是雪花上有水膜借由表面张力而沾合，也有可能是雪花自身形状复杂有枝杈，相互“手拉手”形成的。

　　从天上来到人间的路途很长，在条件适合时，雪花可以经多次攀连并合而变得很大，我们所说的“鹅毛大雪”、“柳絮因风起”就是经过多次并合而成的，人类曾观测到的最大的雪花直径有38厘米。当然，粘连的过程中也可能会导致部分雪花破碎，也就形成了一些畸形的雪花。不过有一点需要注意，雪花非常轻，五千朵到一万朵雪花才有一克重，远远轻于鹅毛，所谓“鹅毛大雪”是一种略微夸张的说法。

　　雪花可不是“美丽的废物”，它的用处大着呢！

　　我们的先辈们给了雪很多的美称，诸如“玉龙”、“玉尘”、“银栗”，表达了对雪之美的喜爱，也有“冬天麦盖三层被，来年枕着馒头睡”的农谚，描述了雪对农业发展的贡献。雪花既能起到保温作用，又能为农作物来年的生长提供水分，也难怪有“瑞雪兆丰年”的美誉。

　　与此同时，雪花也带给了科学家很多的启发。一方面，雪花被称为“来自天空的信使”，日本物理学家中谷宇吉郎博士就曾查明，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，可以推断大气的状况。

　　另一方面，雪花的本质是冰晶，而冰晶的脆弱和短暂性使它们成为了科学研究的一个挑战性对象。早在17世纪，德国科学家和博学大师约翰尼斯·开普勒就开始思考雪花的结构，而后来者也在不断探究冰晶形状的影响原因，推动了原子物理学的不断发展。

　　时至今日，仍有专门的研究人群致力于冰晶生长的本质。我们虽不完全明晰冰晶生长的干扰因素，但相关方面的探索在凝聚态物理方面有了一定的突破，并对药物分子、半导体芯片、太阳能电池以及无数其他涉及到了高质量晶体的生长过程应用起到了积极作用。