为什么雪花的形状总是六个角的形状?

Question

为什么雪花的形状总是六个角的形状?

Answer 1

雪花的形状极多,而且十分美丽.如果把雪花放在放大镜下,可以发现每片雪花都是一幅极其精美的图案,连许多艺术家都赞叹不止.但是,各种各样的雪花形状是怎样形成的呢?雪花大都是六角形的,这是因为雪花属于六方晶系.云中雪花"胚胎"的小冰晶,主要有两种形状.一种呈六棱体状,长而细,叫柱晶,但有时它的两端是尖的,样子象一根针,叫针晶.别一种则呈六角形的薄片状,就象从六棱铅笔上切下来的薄片那样,叫片晶.
如果周围的空气过饱和的程度比较低,冰晶便增长得很慢,并且各边都在均匀地增长.它增大下降时,仍然保持着原来的样子,分别被叫做柱状、针状和片状的雪晶.
如果周围的空气呈高度过饱和状态,那么冰晶在增长过程中不仅体积会增大,而且形状也会变化.最常见的是由片状变为星状.
原来,在冰晶增长的同时,冰晶附近的水汽会被消耗.所以,越靠近冰晶的地方,水汽越稀薄,过饱和程度越低.在紧靠冰晶表面的地方,因为多余的水汽都已凝华在冰晶上了,所以刚刚达到饱和.这样,靠近冰晶处的水汽密度就要比离它远的地方小.水汽就从冰晶周围向冰晶所在处移动.水汽分子首先遇到冰晶的各个角棱和凸出部分,并在这里凝华而使冰晶增长.于是冰晶的各个角棱和凸出部分将首先迅速地增长,而逐渐成为枝叉状.以后,又因为同样的原因在各个枝叉和角棱处长出新的小枝叉来.与此同时,在各个角棱和枝叉之间的凹陷处.空气已经不再是饱和的了.有时,在这里甚至有升华过程,以致水汽被输送到其他地方去.这样就使得角棱和枝叉更为突出,而慢慢地形成了我们熟悉的星状雪花.
雪花是怎么形成的?雪花是空中的水蒸汽遇冷凝结成的.在一般情况下,水蒸汽先凝成水,然后才能结冰.雪花却是直接由水蒸汽凝结成的.
雪花是什么颜色?看起来,雪花是白的.实际上,雪是冰的晶体,冰晶是无色透明的.可是它的每一面都象一个小镜子,反射光线的能力非常强,就显示出了白颜色.
雪花有多大?雪花最大的直径还超过2毫米.我们常见的鹅毛大雪,那种雪片似在降落过程中,许多雪花粘结在一块形成的.
雪花有多重?雪花非常轻,五千朵到一万朵雪花才有一克重.一立方米新雪有六十亿朵到八十亿朵雪花.
雪花是什么形状?雪花的形状千差万别,每一朵雪花都是一件精致的艺术品.到现在,已经知道雪花有两万种不同的图案.不过它基本上是六角形的. （）漂亮的雪花是怎样形成的?显微镜下的雪花真漂亮,你知道雪花是怎么形成的吗?
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*,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.
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?]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.下雪时的景致美不胜收,但利学家和工艺美术师赞叹的还是小巧玲珑的雪花图案.远在一百多年前,冰川学家们已经开始详细描述雪花的形态了.西方冰川学的鼻祖丁铎耳在他的古典冰川学著作里,用生动优美的笔触描写了他在罗扎峰上看到的雪花；〃这些雪花……全是由小冰花组成的,每一朵小冰花都有六片花瓣,有些花瓣象山苏花一样放出芙丽的小侧舌,有些是圆形的,有些又是箭形的,或是锯齿形的,有些是完整的,有些又呈格状,但都没有超出六瓣型的范围.,丁铎耳的结论是正确的,所有的雪花都是六瓣形的.发现雪花六瓣形的,是我国人民.早在公元前一百多年的西汉文帝时代,有位名叫韩婴的诗人,他写了一本《韩诗外传》,在书中明确指出,“凡草木花多五出,雪花独六出.”二干年前就指出雪花是六角形的,的确很不简单.在欧洲,直到l611年,才由德国天文学家刻卜勒记述雪花是六角的,比中国晚了一千七百年.雪花的基本形状是六角形.但是,说来奇怪,大自然中几乎找不出两朵相同的雪花,就象地球上找不出两个相同的人一样.许多学者用显微镜观测过成千上万朵雪花,这些研究最后表明,形状、大小完全一样和各部分完全对称的雪花,在自然界中是无法形成的.在已经被人们观测过的这些雪花中,再规则匀称的雪花,也有畸形的地方.为什么雪花会有崎形呢?因为雪花周围大气里的水汽含量不可能左右上下四面八方都是一样的,只要稍有差异,水汽含量多的一面总是要增长得快一些.
世界上有不少雪花图案搜集者,他们象集邮爱好者一祥收集了各种各样的雪花照片.有个名叫宾特莱的美国人,花了毕生精力拍摄了近六干张照片.苏联的摄影爱好者西格尚,也是一位雪花照片的摄影家,他的令人销魂的作品经常被工艺美术师用来作为结构图案的模型.收集雪花照片最著名的科学家,要数日本的中谷宇吉郎数授了.他和他的同事们,在日本北海道大学实验室的冷房间里,在日本北方雪原上的帐篷里,含辛茹苦二十年,拍摄和研究了成万成万朵的雪花.后来,他在英国出版了一本名叫《雪的晶体—天然的和人工的》专门著作.在这本科学性正确、艺术性优芙和充满幻想色彩的科学著作中,介绍了二于多张干姿百态的雪花照片.
但是,尽管雪花的形状千姿百态,它们却万变不离其宗,所以科学家们才有可能把它们归纳为前面讲过的七种形状.在这七种形状中,六角形雪片和六棱柱状雪晶是雪花的最基本形态,其它五种不过是这两种基本形态的发展、变态或组合. 答案补充 为什么雪花的基本形状是六角形的片状和柱状呢?
这和水的结晶习性有关.天然水冻结的冰和大气中水汽凝华结晶的雪,它们的结晶学特性,都属于六方晶系.六方晶系具有四个结晶轴—一个主轴加上三个辅轴.三个辅轴分布在同一个平面上,互相以六十度的角度对称相交.主晶轴呢,就从三个辅轴的交点上引仲出来,井垂直于辅轴所构成的平面.六方晶系最典型的代表就象是几何学上的一个正六面柱体.当水汽凝华结晶的时候,如果主晶轴比其它三个辅轴发育缓慢,并且较短,那么,雪的形状就成为六角形雪片,要是主晶轴发育很快,延仲较长,那么,雪的形状就成为六棱柱状.大气层里的温度,对雪花的形状起着很大的作用.温度高,容易产生六角形雪片,温度低,则往往容易产生柱状雪晶.根据许多科学家的观测研究,大气层温度在-25℃以下时,雪的形状多数是主晶轴发育的六棱柱状；温度在-25℃～-15℃时,雪的晶体大多是六角形雪片；温度在-15℃～0℃时,天空里降落的则多数是美丽的六角星形的雪花.