以下文章来源于石头科普工作室 ,作者陆迩塽
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说到雪花,大部分人都会想到冰雪奇缘这部迪士尼经典电影,但是笔者不得不来吐槽一下,迪士尼真的应该去花点钱去咨询一下专业人士雪花的构造。例如这个冰雪奇缘二海报上这个雪花就不符合地球物理的规则。接下来,笔者会大致的介绍一下雪花的结构和形成原理。
大部分人对于雪花的印象来源于1931的一本书及其衍生作品——《雪花》。这本书的作者,宾利·威尔逊,是雪花的第一狂热粉丝。从 1885 年的第一张照片开始,宾利拍摄了 5000 多块雪花。这不是最恐怖的,最恐怖的是他会挑选拍摄的雪花,要是一堆雪花中没有他看上的,他就会用羽毛扫掉,重新收集新的雪晶。而他收集雪晶的方法也很简单粗暴,就是在雪天等待雪花落到玻璃上,然后他拿到室外的仪器下拍摄。 https://snowflakebentley.com/biography 上图就出现在诸多雪花的衍生作品中。 当然了,除了艺术中,神奇的雪花在科学界也占有一席之地。早在1611年,开普勒(就是发现开普勒定律的那个)就着手研究雪花,而后有一个日本的物理学家Nakaya在1930年代仔细研究了雪晶形成的原因和条件。 他不仅对不同气象条件下的天然雪晶进行了分类,还是第一个在受控环境下在实验室中培育合成雪晶的人。Nakaya 观察了在不同温度和过饱和度下出现的不同生长形态,并将这些观察结果组合成所谓的雪晶形态图,如下图所示。 在解释为什么雪花会有这样的变化之前,我们首先考虑雪花是怎么形成的。 雪花的初始形态只是一粒超小的冰晶。当很多过冷状态的水蒸气和一粒超小的杂质碰在一起,就会发生凝结核,形成这颗超小的底面大致为正六边形的冰晶。 因为六个角更容易接触到水蒸气,所以六个角最先形成分叉,也就是形成我们看到的雪花分枝的样子。这个很好理解,离冰晶远一点的水蒸气没有加入到结晶的过程,而冰晶的那六个角就是离冰晶中心最远的,就离其他水蒸气更近,也就更容易形成新的结晶。这个过程会形成一个正向反馈——离得越远结晶越快。 当然雪花在自然条件下也不可能静止在那里结晶——雪花会因为空气的流动而变化,准确来说,是因为空气的流动带来的湿度和温度的变化。这也是为什么我们看到的雪花的形状千姿百态。 而雪花各个面受到相同的天气影响,从而各个面的延伸速度在那个时刻是相同的,这也是为什么我们看到的雪花都是对称的。而各个雪花在同一个云层中运动的轨迹是不同的,所以它们的形状也是不同的,这就是为什么在自然条件下,没有两片雪花是一样的。 但是在实验室中,科学家们可以控制这些条件。下面一张图就是K G Libbrecht 在实验中制作的两片雪花,他们几乎看上去一模一样。所以“没有一片雪花是一样的”的名言也就不那么浪漫了。 http://snowcrystals.com/ 现在,我们回到这张图来回答一下,为什么雪花的形状会随着温度湿度变化而变化? KG Libbrecht提出来一个物理模型——SDAK——来解释这张图。简单来说就是凝结核需要能量,在不同温度下,棱面和底面凝结核所需要的能量不同,从而导致这两种面的生长速度不同,具体的理论可以参考下面的论文链接: https://arxiv.org/pdf/1910.09067.pdf |
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来源:石头科普工作室
编辑:荔枝果冻
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