雪花图鉴



冬天的雪总给人们带来无尽的乐趣,这种乐趣还通过社交媒体,传递给更多的人。飞雪漫舞、银装素裹,雪花集体带给人无尽美的享受,其实,雪花个体的美也很令人震撼。你要是不信,下次下雪的时候,穿上你的雪地靴,带上放大镜,近距离观察飘落的雪花。你要是等不及,本文让你先睹为快。

雪花简介

什么是雪花?就是被冻住的雨呗。

非也。雨夹雪天气中的雪是被冻住的雨,与下雪天下的雪是不一样的,差别在于前者没有规整的外形,而后者有规整的外形。



冬季四种降水:雪、雨夹雪、冻雨、雨

规整的外形的物质称为晶体,雪花就是水的晶体。雪花外形规整是因为内部水分子排列得整齐。液态的水和雨夹雪中的雪没有规整外形,因为内部水分子就是乱七八糟的。

最常见的雪花形状是六角星,这个图形是许多冬季用品和装饰上的经典图标。可惜,装饰图标经常会出现四重、五重、七重、八重对称性的雪花,这样的雪花在自然界中是不可能出现的。



最常见的雪花形状是六角星

网店销售的雪花挂件,用了错误雪花图案

雪花的六个主干上还可以长出更多侧枝,侧枝非常非常多的雪花看起来就像蕨类植物的叶子。



侧枝众多,雪花像蕨类植物的叶子。

雪花有规整的外形,但神奇的是,世界上没有两片完全一样的雪花。不过,雪花的独特性维持时间很短,飘落之后,短短几分钟后,就会失去自己独特的外形。要给雪花拍照,要抓拍刚飘落下来的新鲜雪花。



雪花飘落之后在短短几分钟之内就会失去自己独特的外形。

你要是觉得只有星星形状的雪花,那就低估了大自然的造化神奇。世界上还有一些令人觉得奇特的雪花,如冠柱形雪花(像一架车轮)、柱形雪花、针形雪花。我们觉得奇特,不是说这样的雪花罕见,而是我们平时没留心注意。



冠柱形雪花,外形像安装在同一轴上的两个车轮。

柱形和针形雪花

科学最近一次对雪花分类,总结出121个雪花类型。

雪花就这121种类型吗?绝不,看你如何定义“类型”了。

雪花外形各异,有无数种可能,但又不是随意长出来的。雪花不是机器生产出来的,也没有生命,没有遗传密码。雪花都是没有固定形状的水蒸气变成的。雪花的形状是由晶体生长的科学规律决定的,反过来,从雪花形状也可以反推它在形成过程中经历了什么。雪花的背后是物理学、化学和数学共同创造的神奇。



不对称雪花,说明雪花在形成过程中各部分所处的环境不一样。

十二分枝的雪花是两个雪花粘合在一起形成的。

雪花形貌与形成环境(温度、湿度)之间的关系,科学家总结出了如下的图。这个图依然在继续完善过程中。



雪花形貌与形成环境(温度、湿度)之间的关系

雪花欣赏指南

我们的雪花欣赏之旅从最小的雪晶——钻石尘开始。

钻石尘(diamond-dust)

冬天特别冷的日子里,在阳光或明亮的路灯照射下,周围空气中一闪一闪亮晶晶,如钻石般璀璨夺目,因此称为称为“钻石尘”。



2018年12月30日凌晨,武汉飘落钻石尘。

钻石尘不是天上下钻石,而是水蒸气凝结成的冰晶。

钻石尘是六棱柱状的,非常小,几十分之一毫米大,不能被肉眼直接看见,在亮光照射下,六个平面的反射光使我们注意到它们。



钻石尘是最小的雪晶,呈六棱柱状。

平常的雪花还在云里面最初的样子就是钻石尘。

星树状(stellar dendrites)

钻石尘可遇不可求,但星树状雪晶轻易可见。下雪的时候,你仔细看看飘落在你衣袖(最好是黑色衣服)上的雪,一般就是星树状。术语雪晶在日常口语中叫做雪花,就因为此种雪晶。



雪花一词来自星树状雪晶——最常见的雪晶

这种最常见的雪花,大的可以达5毫米以上,但非常薄,大小可为厚度一百倍。



雪花侧视图,可见雪花非常薄。

长得像蕨类植物的叶子那样的雪晶看着很复杂,但形状很规整,除了六个主枝很规整,各侧枝也很规整,与主枝夹角都是60°,相邻互相平行侧枝互相平行,只是侧枝间距是随机的。



长得像蕨类植物的叶子的雪晶,有序和随机共存。

滑雪爱好者会比较喜欢长得像蕨类植物的叶子那样的雪晶,因为这样的雪落地之后,堆积比较蓬松,在上面滑雪更爽。



长得像蕨类植物的叶子那样的雪晶,落地之后,堆积比较蓬松,和滑雪更配哦。

星盘状(Stellar Plates)

没有侧枝的雪花,我们称为星盘状雪花。星盘状雪花一般比星树状雪花小。星盘状雪花最明显的特点在于处处体现着六重对称性。



星盘状雪花

有时候,星盘状雪花只有“主盘”,并明显分成了六部分,像切好的六边形披萨。



只有主盘的星盘状雪花

柱状和针状

除了雪花专业人士,普通人一般意识不到柱状和针状雪花的存在,其实它们并不罕见。一个原因是,它们太小了。下次下雪的时候,你可以带个放大镜,仔细看看飘落在你衣袖上的雪花,看看能否发现它们的踪影。不过,要看到它们的细节,还得有显微镜才行。

柱状和针状雪花为细长的六角柱形,样子像铅笔,只是端面不是平的,呈现为浑圆形。比较粗的柱状雪花的两端会有圆锥形的孔洞。



柱状雪花的两端一般会有圆锥形的孔洞

柱状雪花长大过程中,会逐渐在两端一分为二,变成针状雪花。



柱状雪花在两端一分为二,变成针状雪花。

多个柱状雪花可以从同一个地方生长出来,看起来像子弹花。



多个柱状雪花可以从同一个地方生长出来,看起来像子弹花。

冠柱形(CAPPED COLUMNS)

冠柱形雪花也是我们不熟悉的雪花,但并非稀有,你要是刻意去找,还是比较容易找到。冠柱形雪花有各种大小和形状,观察起来,乐趣无穷。



典型的冠柱形雪花。红色为拍照时打的光。

冠柱形雪花的侧视图(左)和分别从“车轮”看过去的俯视图(中、右)

双盘形(DOUBLE PLATES)

冠柱形雪花两“车轮”中间的柱如果很短,这样的雪花叫做双盘形雪花。



乍看上去看像星盘形雪花,如果仔细看,会看到还有一个盘,与正对我们的盘错开约三分之一。

双盘形雪花侧视图

双盘形雪花的两个盘大小不一样,因为它们在生长过程中要竞争水蒸气,结果就是先开始长的盘占得先机,最后长得较大。

三角形

三角形雪花其实与六角盘形雪花是一类,只不过雪花在长大过程中,三个面比另外三个面长得快,最后呈现为三个角被截掉的三角形雪花。



三角形雪花

三角形雪花形成与空气流动密切相关。

十二角星形

十二角星形雪花是两个平常的六角星形雪花碰撞之后结合在一起形成。



十二角星形雪花

两个六角星形雪花的随机碰撞怎么能形成这么规整的十二角星形雪花?

这可能是选择性偏差的结果。人们只会注意好看的十二角星形雪花,不好看的直接被忽视了。两个六角星形雪花彼此错开30°碰在一起,会形成好看的十二角星形雪花,如果碰撞不这么巧,形成的就是一坨冰而已,不能吸引人多看一眼。

结凇雪花(Rimed Snowflakes)

你知道美丽的雾凇吧,那是液滴结的冰。不仅仅是树上能结雾凇,雪上也可以。云中长出的雪晶与水滴相撞,水滴结成冰,这样的雪花就是结凇雪花。



雪花长成之后再结凇,依然保持美丽。

结凇雪花如果以凇为主,被称为“霰”(Graupel)。



雪花结上厚厚的凇,被称为“霰”(Graupel),外观不让人觉得美丽。

雪花类型

雪花有多少种?

不好说,目前还没有一个绝对的分类方法,以后也不大可能会有。

世界上没有两片完全一样的雪花,随着时间的推移,人们对雪花辨认得越来越细致,分类表格也越来越庞大。1930年代,雪花分为21类,到1950年代,增长到42类,到1980年代,膨胀到80类,2013年,雪花分类增长到121类

121类,略显得复杂,在电脑上一屏都放不下。对于赏雪活动而言,以下35种雪花类型的分类甚为合适。



35种雪花类型

阅读到此处,你是不是觉得雪花真是绝佳的艺术品,艺术之美令人倾倒。

雪花是如何“创作”出来的?

雪花是怎么来的?

我们可能意想不到,雪花,如此司空见惯之物,科学,如此昌明发达,雪花的形成过程,科学竟然还没有完全的答案。

下面我们通过科学已经给出的回答,感受雪花科学的智慧之美。

雪花是怎么形成的?

雪花是在云里面开始形成的。

地面的江河湖海的水被太阳光加热,一部分水变成水蒸气,进入地球大气。大气中能容纳的水蒸气是有限度的,气温越低,大气中能容纳的水蒸气就越少。当气温变低时,大气中水蒸气过量,一部分水蒸气就要变回液态水。水蒸气是跑单的水分子,要把它们聚拢在一起变成液态水,需要先找到集合地点。在地面上,集合地点是花花草草、砖头瓦块等等,水蒸气变成的水我们称为露水。在高空,水蒸气的集合地点是空气中漂浮的尘埃,水蒸气变成无数小液滴,每个小液滴都包着一粒尘埃,这就成了我们能看得见的云。



从水蒸气到云

气温继续降低,小液滴会结冰,在云里飘来飘去,捕获周围的水蒸气,逐渐显出六棱柱的形状,这就是前文所说的钻石尘。冰继续长大,但棱上长得更快,逐渐长成六角星的雪花。整个过程约15分钟。雪花长得越来越重,就开始掉落,离开云之后,雪花不再长大,因为没有水蒸气供应了。雪花慢慢飘落,以不到2km/h的速度抵达地球。

雪花为什么六重对称性?

雪花最明显的特点是六重对称性,古人也注意到了这个特点,西汉人韩婴的《韩诗外传》中有“凡草木花多五出,雪花独六出”的记载。

第一个试图在科学上解释雪花对称性的是开普勒,就是那个提出行星运动三大定律的开普勒。开普勒是神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的皇家天文学家,但经常被拖欠工资。1611年,快过年了,工资还没发下来,连给朋友送新年礼物的钱都没有。他便把自己对雪花的思考,写成一本书,Strena Seu de Nive Sexangula (The Six-Cornered Snowflake《六角雪花》),作为新年礼物送给朋友,这部著作也成了雪花科学研究的开山之作。



开普勒的著作《六角雪花》,2010年版。

开普勒猜想,雪花是由很小的球形东西堆出来的,并且按六边形堆积。这是开普勒原著中的插图。

开普勒有一次走在布拉格著名的查理大桥上,一片雪花落在了他的外套上,吸引到了他的注意,完美的六角星形令他惊奇。开普勒开始猜想,雪花为什么不是五角的,不是七角的,偏偏是六角的?开普勒提出的想法是,雪花是由很小的球形东西堆出来的,按六边形堆积堆得最密,节约空间。开普勒的这一猜想终于在2014年被数学家严格证明。



查理大桥和布拉格老城

开普勒的想法是基本正确的,他只是不清楚堆出雪花的小球到底是什么,提出是液态水的最小组成单元,其实就是现代科学中的水分子。

现在我们知道,雪花是冰晶,是水分子规整排列的结果。一个水分子由一个氧原子和两个氢原子组成,三个原子不是一字排列的,而是弯的,像一条狗腿。水逐渐结冰的过程就是水分子彼此结合在一起的过程,结合的方式是,一个水分子的氧结合另一个水分子的氢,连成很多很多六边形。越来越多的水分子加入这个六边形,最后呈现出宏观的六边形结构。



冰中的水分子排列成六边形,六边形顶点是氧原子,边是所谓的氢键。

雪花为什么不大多长成六角盘形而大多是六角星形?

空气中的水分子与冰晶碰撞,之后结合到冰上,粗糙的地方更容易结合,光滑的地方不易结合,因此,六边形的顶点处长得更快,于是,逐渐长出六个角。



雪晶生长示意图。雪晶的顶点处比边处生长得更快,因此,雪晶逐渐长出六个角。

真实的雪晶生长过程

雪花的形貌还和具体的形成过程密切相关,每片雪花受到周围的空气的扰动都不一样因此,每片雪花的形貌也是独一无二的。世界上没有两片一模一样的雪花。

下面我们介绍一点实用的知识,如何给雪花拍照。

雪花拍照初步

拍雪花和拍其他自然美景的要求差不多,要求有一双发现美的眼睛,一套合适的装备,对优美照片的强烈渴望。拍雪花有特别的挑战,因为雪花又小又脆弱。

拍雪花,装备不是最重要的,智能手机配上夹式微距镜头即可动手,最重要的是眼光和运气。

最简易的装备,一个蓝底泡沫芯板作为集雪板,一个小刷子(比如画笔),一个载玻片,一台相机。



集雪板

集雪板上的雪

下雪天气,在室外支好集雪板,在集雪板上找美妙的雪花,用小刷子转移至载玻片上,将载玻片放至镜头下,来回移动载玻片,在相机取景器里找到心仪的景象,按下快门,拍出照片。这个过程要快,动作慢了,雪花就化了。

给雪花拍照的一大挑战是,雪花透明无色。最直接的方法是在正面或侧面给雪花打光。如果雪花放大的倍数比较大,这样拍出的照片可能会不太美观,雪花边缘散射的光多,显得明亮,而雪花中心平面区域散射的光少,显得黑暗。

改进的打光方式是,在雪花后面打光。这种方式也有明显的缺点,背景光太亮,当然,你可以在图片处理软件里把背景光去掉。

更好的打光方式是,在雪花后面斜着打光,照相机捕捉的是透射光,透射光偏离了入射光的方向,照片是黑暗的背景上清晰的雪花照片,并且使雪花的线条更明显,内部结构更显清晰。打光的颜色和角度不同,得到的视觉感受的图片。



给雪花拍照。左图:在雪花后面斜着打光;右图:雪花后面正向打光

下次下雪,你要是拍到精美的雪花照片,请分享给我们。

参考资料

本文经修改后,发表于微信公众号赛先生。

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