【物理怪谈】暴雪来袭

1、暴雪来袭，物理 “看”雪，与众不同我们的周围随时都在发生气体与液体的相互转换， 但液体和固体的转换就比 较少见。 相比之下， 水的性质相当特殊， 这不仅仅是因为水结冰和蒸发的情况很 常见，而且还因为水有两种固体形态 冰和雪。看到这里可能会有小伙伴们反 驳说，老郭，你弄错了，雪是小冰晶，我把这个问题留在文章的末尾来回答。没有凝结核水就不能结冰在我们的经验中， 湖水在温度低于 0°的时候， 就开始结冰， 海水由于盐分较 高，所以冰点要更低一些，总之，给我们的感觉是 水很容易结冰。事实上，如果把蒸馏水完全静置，放置在 -20 °的环境中，它也会保持液态， 即使是把温度降低到 -1

2、00 °，它同样会保持液态。这样的水在物理学中，被称为 过冷水。但是，你只要把过冷水从冰箱中拿出来，它立刻就会结冰，这是因为突 然的振动会导致过冷水结冰。奇妙的结冰过程天上云就是大量小水滴集结体、 如果温度低于 0°的话，过冷的小水滴就会开 始结冰。 小水滴的结冰过程会从表面开始， 先是形成一个冰壳。 然而这个冰壳形 成后，这个冰壳包裹着的小水滴的温度马上会变成 0°，之后这个冰壳包裹着的小 水滴的内部慢慢结冰，直到完全变成一个小冰晶。一个神奇的现象会在这个过程中上演， 在结冰过程中， 从冰壳的表面会连续 地喷射出直径大约为 120 微米的小水滴。如果我们有机会用

3、显微镜观看这个过 程，这些被冰壳包裹着的小水滴，就像一个小喷壶。这是由于水与其它液体不同的另外一个性质决定的， 即水在从液体变成固体 的过程中，体积膨胀。水滴内部的水结冰膨胀，会涨破表面上那层薄薄的冰壳， 还没有来得及结冰的水，就在内部压力的作用下，从破口处冲出来。另一个特别值得关注的现象是，这些冲破冰壳出来的更小的水滴是带正电 的，而原来那个结了冰壳的水滴会带负电。这是由于，正常的水通常会有一部分是处于电离状态， 即分解为一个氢离子 和一个氢氧根离子， 当然了这是一个动态的过程， 它们又会重新结合成一个水分 子。当冰壳被撑破的瞬间， 水分子蜂拥而出， 在冰壳裂口的边缘处， 由于氢氧根 的惯性

4、较大， 所以它的运动速度没有氢离子快， 很容易被附近冰晶中的水分子拉 住，出不去。而氢离子质量小，拥有更高的运动速度，就可以随着冲出来的水分 子出来。于是，结冰的小冰晶就带上了负电，而冲出去的那些小水滴则带上了正电。 这也能部分解释云层带电的原因。雪花形状的形成之所以前面要说那么多云里面小水滴结冰的过程， 就是为了说明下面雪花形 成的过程。下雪的云朵中， 由于气温原因而存在很多小冰晶。 这些小冰晶在相互 碰撞时，冰晶表面会增热而有些融化， 并且会互相沾合又重新冻结起来。 这样重 复多次，冰晶便增大了。不过，形成雪花的关键不是靠小冰晶碰撞增大， 而是依靠凝华继生长。 雪花 就是由那个表面破碎的不

5、规则的小冰晶开始的， 粗糙的部分会比平整的部分积累 到更多的分子， 那些刚刚喷出水珠， 破口的地方比较湿润， 有着很多的水分子可 用，所以平整的面上开始有了凸起， 随后在湿度较低的区域里， 可用的水分子就 变少了，平滑的边缘和六角的结构开始成型， 如此交替， 这是一个奇妙而错综复 杂的过程。冰晶和水晶一样，都是六方晶系，不过冰晶是水 （H20）的结晶，水晶是二氧 化硅（SiO2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 60度的角度相交，第四轴 （主晶轴）与三个辅轴所形成的基面垂直。当水蒸气凝华结晶的时候， 如果主晶轴比其他三个辅轴发育得慢， 并且很短， 那么晶体就

6、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。降雪的形成过程最有利于降雪的是混合云。 这种云由小冰晶和过冷水滴共同组成。 当一团空 气对于冰晶说来已经达到饱和的时候， 对于水滴说来却还没有达到饱和。 这时云 中的水汽向冰晶表面上凝华， 而过冷却水滴却在蒸发， 这时就产生了冰晶从过冷 却水滴上 "吸附 "水汽的现象。在这种情况下，冰晶增长得很快。那些小冰晶在早期增大的方式主要是依靠碰撞， 随着碰撞体积增大， 它们的 运动速度会越来越慢， 碰撞的几率也会越来越低， 后期

7、小冰晶长大的方式主要就 是依靠水蒸气的凝华，凝华出来的就是我们看到的各种雪花。随着雪花的不断增大， 其重量逐渐增加， 当雪花增大到空气分子的热运动和 粘滞力不足以克服雪花受到的重力时，便落到地面，这就是降雪。世界上有多少种雪花？恐怕这个数字没有人能说得上来， 但是世界上有很多的雪花图案收集者， 据 说，有人花了毕生精力去拍摄各种雪花的图案，发现有将近六千种不同的雪花， 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。 以致于有人说没 有两朵大小和形状完全相同的雪花。冰与雪的区别看到这里，大家可能已经找到了开篇时候留下的问题的答案了吧？冰与雪的 区别就是其变成固体的过程不同， 冰是由液态水

8、凝固生成的， 由于水的表面很光 滑，所以冰也有光滑的表面。而雪花是由水蒸气凝结在小冰晶上，换句话说，是 一个个的水分子 “长”上去的，所以雪花才有那么多的形状。另一个不同就是，由于液态水分子间距小，所以由液态水凝结的冰内部的水 分子间距也比较小，不容易压缩。而雪花由于其特殊的结构，其分子聚集过程中 分子的间距大，斥力小，同时雪花之间也有很多的空隙，所以雪很容易压缩。结束语水是我们地球上最丰富的液体，也是生命的重要组成部分，但是水却是最不 简单的液体，即使是到了科学发展的今天，我们的仪器能分辨单个的分子和原子， 能够打开原子核，但科学家至今也没有说对水已经完全了解。很多老师都说，物理好玩，因为它更贴近生活，把物理生活化，生活物理化”是学习物理的一种很好的思维习惯。然而，我们通过这个雪花形成的例子， 你可以看到，你明明