自然界雪花的形成（雪花是如何诞生的）

如果结晶缓慢发生，在平静的空气中和接近冰点的温度下，雪花通常是六角形的。照片：泰德金斯曼/科学资源

雪花有无限的形状和大小。许多似乎是二维的艺术作品。其他的看起来像一堆乱蓬蓬的磨损冰丝。大多数以个体的形式出现，尽管有些可能以多片团块的形式落下。它们的共同点是它们的来源：通常在离地面至少一公里（0.6 英里）的地方盘旋的云。

在冬天，那里的空气可能非常冷——而且越往上走就会越冷。要形成雪花，这些云需要低于冰点。但也不会太冷。雪花是由云中的水分形成的。如果空气变得太冷，云将无法容纳足够的水使任何东西沉淀出来。所以必须有一个平衡点。这就是为什么大多数薄片会在零度或零度以下（0 摄氏度（32 华氏度））形成。雪可以在较冷的环境中形成，但越冷，可用于制作雪花的水分就越少。

事实上，云的空气中必须含有过饱和的水分才能形成薄片*。*这意味着空气中的水分比通常情况下可能存在的要多。（在过饱和期间，相对湿度可以达到 101%。这意味着空气中的水分比它应该能够容纳的水分多 1%。）

当空气中的液态水过多时，云会试图摆脱多余的水。一些多余的东西会瞬间冻结成晶体，然后懒洋洋地蜿蜒到地上。

或者这就是简单的答案。细节并不是那么简单。

还需要做一件事才能将云中的水分变成薄片。科学家称它为原子核。没有东西可以凝结，水滴就不会结冰。即使气温远低于冰点，水滴也会保持液态——至少在它们有可以附着的固体物体之前是这样。

通常，这将是花粉粒、尘埃颗粒或其他一些空气传播的碎片。它可能是烟雾状的气溶胶或植物释放的挥发性有机化合物。即使是汽车尾气中喷出的微小烟灰颗粒或微小金属碎片也可能成为雪花结晶的核心。

事实上，当空气非常干净时，云的水分很难找到核心。

在地面附近，任何物体都可以证明是合适的冻结区。这就是我们在树枝、灯杆或车辆上形成雾凇的方式。与霜不同，当过冷的水滴结冰到低于冰点的表面时，霜冰就会形成。（相反，当水分以液体形式聚集在表面上，然后结冰时，就会形成霜冻。）

在云层的高处，必须有一些微小的漂浮颗粒才能形成雪晶。当合适的条件出现时，过冷的水滴将锁定在这些原子核上。他们一个一个地做，建造一个冰晶。

为了了解雪花错综复杂的形状背后的原因，科学家们转向化学——原子的作用。

水或 H₂O 是一个氧原子和两个氢原子的组合。图：Elena Hartley

一个水分子或 H 2 O 由两个与氧原子结合的氢原子组成。这三人组合成“米老鼠”图案。这是由于极性共价键。该术语是指三个原子，每个原子彼此共享电子，但不均匀。

氧的原子核更大，所以它有更大的拉力。它更强烈地拉扯它们共享的带负电的电子。这使这些电子离得更近了一点。它还给氧气一个相对的负电荷。就电荷而言，这两个氢原子最终有点正。

单独一个水分子的结构类似于一个宽 V。但是当多个 H2O 分子发现它们彼此靠近时，它们开始转动以使它们的电荷配对。相反的费用吸引。因此，正氢的目标是负氧。倾向于产生的形状：六边形。

在液态水中，分子紧密地堆积在一起，不会形成六边形。然而，在冰晶中，分子排列成六边形。图：Elena Hartley

这就是雪花有六个面的原因。它源于大多数冰晶的六边形（六边形）结构。六边形组队。它们与其他六边形相连，向外生长。

雪花就这样诞生了。

每个六边形都包含很多空白空间。这就解释了为什么冰会漂浮在水面上。它的密度较小。液相中较热的 H2O 分子能量太大，无法形成刚性六边形。结果，相同数量的 H2O 分子作为固体冰占据的空间比作为液态水多 9%。

根据温度，这些六边形相互连接并以不同的方式生长。有时，他们会做针。其他的可能会形成树枝状的树突。都是美丽的。并且都有自己独特的晶体生长故事。

自 1885 年 Wilson Alwyn “Snowflake” Bentley 在他的相机上安装显微镜并成为第一个拍摄它们的人以来，雪花结构一直是科学界的好奇心。

这些短暂的晶体仍然吸引着科学家。为了更好地捕捉它们的形状和动作，盐湖城犹他大学的蒂姆·加勒特最近建造了一个更好的雪花相机。他一直在用它来了解掉落的各种薄片的内部视图。

#科学##雪花##结晶#