■文/許秀華 ■插圖/玖月
一片兩片三四片……
踏雪尋梅,是中國(guó)古代文人在寂寞寒冬中內(nèi)心追求的一份雅致。名列“揚(yáng)州八怪”的清代書畫家鄭板橋,即《詠雪》的作者鄭燮,更是樂(lè)此不疲???,踏雪尋梅中,他不厭其煩地?cái)?shù)著雪花的片數(shù)。雪花紛紛,越下越大,最后千片萬(wàn)片飛到盛開的梅花中,都不見了蹤影。原來(lái),揚(yáng)州地處長(zhǎng)三角,氣候溫暖,落在梅花上的雪花很快就融化成了晶瑩的水珠。
詠雪
〔清〕鄭燮
一片兩片三四片,
五六七八九十片。
千片萬(wàn)片無(wú)數(shù)片,
飛入梅花都不見。
詩(shī)詞中的科學(xué)
冰是水的固體,雪花也是水的固體。水的固體為何有時(shí)是冰,有時(shí)是雪花?
水是由水分子組成的。在水的固體、液體、氣體三態(tài)變化中,水分子自身沒(méi)有改變,改變的是水分子之間的距離。
冰是由液體的水凝固而來(lái)的,雪花則是由氣態(tài)的水蒸氣凝華而成的。凝固和凝華一字之差,卻代表著不同的物理過(guò)程。物體從液體變成固體叫作凝固,物體從氣體變成固體叫作凝華。
液態(tài)水中,水分子之間距離小。凝固成冰后,冰中的水分子距離變小,冰的體積很難被壓縮。水蒸氣中,水分子之間距離大。凝華成雪花后,水分子的距離變大。一大團(tuán)雪,可以輕易地用手攥成一小團(tuán)冰。
為什么冬天下雪?這是因?yàn)樵诙斓母呖罩校浦械乃菀仔纬杀?,而不是水滴。不論下雨或者下雪,都需要高空中水汽飽和?/p>
什么叫作水汽飽和?把白糖往盛滿水的水杯里加,加到一定程度,白糖就不再溶解了,而是以固體的形式沉積在水杯底部。水能容納的白糖是有限度的,這叫作飽和溶解度。
蒸鍋里蒸食物時(shí),一團(tuán)團(tuán)水蒸氣裊裊升起,最后消失在空氣中。好像有多少水蒸氣,空氣就能接納多少似的。而實(shí)際上,空氣對(duì)水蒸氣不是無(wú)限度接納的。在不同的溫度下,空氣能夠容納的水蒸氣比例是不同的。溫度越高,空氣能容納的水蒸氣比例極限值越大;溫度越低,空氣能容納的水蒸氣比例極限值越小。這個(gè)極限值,叫作飽和水汽壓。
在一定溫度下,空氣的水汽容納能力已經(jīng)達(dá)到飽和后,當(dāng)溫度降低時(shí),就沒(méi)法繼續(xù)容納之前那么多水汽了,會(huì)在經(jīng)歷短暫的過(guò)飽和狀態(tài)后將水汽釋放出來(lái),從而達(dá)到在降低了溫度下的水汽飽和狀態(tài)。
在冬季的高空低溫環(huán)境中,水汽的含量比夏季少,空氣中的水汽過(guò)飽和程度也比夏天低。由于冰晶生長(zhǎng)所要求的水汽過(guò)飽和程度比水滴要低,冰晶的形成比水滴更加容易。所以,冬天會(huì)下雪,夏天會(huì)下雨。
雪的形成還要求空氣里必須有凝結(jié)核,這是一些懸浮在空中的很微小的固體微粒。從空氣中析出的水蒸氣可以在凝結(jié)核上進(jìn)行固化。
在水蒸氣凝華過(guò)程中,常見的凝結(jié)核是小冰晶。高空中形成的小冰晶以六角形居多。雪花開始凝結(jié)時(shí),最開始的形狀就是六角形。為什么雪花沒(méi)有長(zhǎng)成實(shí)心的六角形,而長(zhǎng)成了六角星呢?我們來(lái)分析云中的水蒸氣凝華的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
隨著水蒸氣不斷地被吸附在冰晶上,冰晶附近的水汽不斷被消耗,導(dǎo)致這里的水蒸氣過(guò)飽和程度降低,水汽反而不易凝結(jié)。
冰晶周圍的寒冷空氣在遇到向外凸起的六角形頂角時(shí),會(huì)率先凝華。于是,中心部位出現(xiàn)了被凝華的冰晶圍起來(lái)的空當(dāng)兒。這些空當(dāng)兒和外圍不斷延伸的凝華冰晶結(jié)合在一起,就形成了雪花的圖案。
之后,隨著雪花不斷長(zhǎng)大,水汽繼續(xù)在6個(gè)“枝杈”、6個(gè)角棱,以及衍生出來(lái)的新“枝杈”上不斷凝華。而與此同時(shí),在凝華發(fā)生后,凝華部位附近的水汽過(guò)飽和程度降低,繼續(xù)形成空當(dāng)兒。在水汽凝華的同時(shí),雪花的一些部位還會(huì)發(fā)生升華現(xiàn)象,一些冰晶會(huì)直接變成水蒸氣。于是,在雪花結(jié)構(gòu)內(nèi)部又出現(xiàn)了新的空當(dāng)兒,使得雪花的圖案越來(lái)越精巧、越來(lái)越復(fù)雜,最后就形成了我們熟悉的六角星雪花。
在雪花形成過(guò)程中,每片雪花以及雪花中每個(gè)“枝杈”所處的微環(huán)境又是不同的。有些雪花或雪花“枝杈”周圍水汽過(guò)飽和程度高,水汽凝華多,雪花的“枝條”就會(huì)粗壯一些。若周圍水汽過(guò)飽和程度低,則雪花的“枝條”就纖細(xì)一些。所以,每片雪花都是不一樣的。
而由于每次下雪時(shí),高空的水汽和溫度情況也有差異,雪花的形成也有很大不同。于是,我們?cè)诹切茄┗ㄖ猓€能看到有著3個(gè)“枝杈”、12個(gè)“枝杈”,甚至18個(gè)“枝杈”的雪花。
雪花
冰雹
其實(shí),天上也是會(huì)下冰的,地上也是會(huì)結(jié)雪的。
春夏之交或者盛夏,天上會(huì)掉下來(lái)小冰球,這就是冰雹。秋冬或者早春,我們會(huì)看到清晨的地面、樹枝或者窗玻璃上覆蓋著一層薄薄的“雪花”,這就是霜。
冰雹是一個(gè)個(gè)小冰球,這些小冰球要在高空從小到大地形成。為此,在小冰球長(zhǎng)大的時(shí)候,必須有一股上升的氣流,像托盤一樣托住它們,不讓其掉下來(lái)。而在夏季,由于地面較熱,往往會(huì)形成較強(qiáng)的上升氣流,所以冰雹往往出現(xiàn)在夏季,而不是秋冬季。
而在秋冬季,夜晚的氣溫會(huì)比白天降低很多。在白天氣溫高的時(shí)候,空氣對(duì)水蒸氣的容納能力強(qiáng)。夜晚,隨著氣溫的降低,空氣容納水蒸氣的能力下降。所以,溫度降低后,空氣中的水蒸氣就會(huì)析出,凝結(jié)在物體表面,形成霜。