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夏日炎炎天飘雪雪花的微观世界

发布时间:2018-08-17 17:20:09  来源:互联网   阅读:0

夏日炎炎天飘雪:雪花的微观世界

有这样一条谜语,谜面是:“青石靠青台,花在石上开,是花都有叶,你往无叶上猜。”

这条谜语是打一冬天里的自然现象,谜底就是雪花。

雪,不仅为大自然增添了色彩,对农业生产还有大益处。常言道:“瑞雪兆丰年。”古人喜欢赏雪吟诗,历史上有许多对雪景的生动描写。比如,高骈的“六出飞花入户时,坐看青竹变琼枝”,岑参的“忽如一夜春风来,千树万树梨花开”,等等,都流传久广、脍炙人口。

雪花的微观世界

古代诗人对雪景的描写尽管细腻。但他们描写的都是宏观世界,对雪花的微观世界所知甚少。如果在飘雪的时候,你在室外用放大镜观察落在深色衣服上的雪花就会发现,雪花的基本形状是六角形的,它和自然界中生长的植物的花朵很不同,自然界中生长的花大都是5瓣的。西汉时有一本叫《韩诗外传》的书,作者韩婴对雪花倒是观察入微,他在书中写道:“凡草木花多五出。雪花独六出。”

雪花不仅是6个“瓣”,更有趣的是,每个雪花都有自己的模样,谁和谁都不会完全相同。但不管雪花的形状如何千变万化,它们的基本形状始终离不开“六”字:有的像匠心雕刻的六边形,有的像放射光芒的六角形,有的像有六条主脉纵横交织的蛛……这是为什么呢?

云层是孕育雪花的地方,雪花就是由云中的水汽在冰晶上不断凝华而成的。由于这个冰晶本身就具有六角形结构,叫做“六方晶系”,所以,形成的雪花也是六角形的。晶核生长的形状大体有3种趋势:长而细的六棱柱形晶柱、两头尖尖有如一根针的晶针和很薄的六边形晶片。如果它们周围的水汽浓度较低,冰晶的增长缓慢,而且各边均匀增长;如果周围水汽浓度较大,那么增长过程中形成雪花的冰晶不仅体积会增大,形状也会改变,最常见的就是天空中飘落的六边形雪花。为什么雪花都倾向于六边形呢?原来冰晶增长时要消耗附近的水汽,所以,越靠近冰晶的地方水汽越稀薄,稍远处的水汽自然过来补充。它们首先遇到的就是正在向前伸展的尖角,于是,各个尖角迅速加长,逐渐成为树枝状。由于同样原因,这些“树枝”上又长出新小枝权,周而复始就形成了我们所见到的六边彤雪花。形成雪花之前的冰晶受周围环境的影响,位于底面上的正六边形和侧面长方体的晶体生长速度出现差异.形状也相应发生变化,比如气温会给结晶表面带来微妙变化,接近0℃时底面水平扩展成六边形,5℃时形成针状,气温降到-5~-10℃时。侧面上开始生成正六棱柱体及侧面镂空的六棱柱体,-15℃时形成树枝状,在气温降至-10~-21℃时,正六边形又开始扩展,继而再生成六棱柱体。

周围水汽含量较少时,雪花的生成过程也较慢,而且不易出现复杂形状。相反,水汽含量越大,雪花的生成速度越快,形状也越复杂。被人们称作“雪花”的树枝状雪晶往往生成于15℃左右、含有大量水汽的环境中。尽管晶体的形成速度取决于温度及水汽浓度,但空气中的其他气体也会影响它的形成。实验表明,在只有水汽的真空空间里形成的冰晶几乎都有单三棱柱体,而在天空中形成的晶体则呈现针状和六棱柱形状。经过计算机计算可以再现冰晶向6个方向延伸的形状,而冰晶中途分叉、呈现树枝状的原因。人们始终无法解释。雪花美妙无比的点对称的分枝方式,其产生机理,至今仍是一个谜。根据科研上的需要,国际水文科学协会的冰雪委员会把雪花归类为片状、星状、柱状、针状、立体枝状、柱帽状和不规则形状共7种形状。

钟情霄花的人

为了研究这种“元叶的花”,许多人做出了巨大贡献,乃至献出了毕生精力。

1260年

夏日炎炎天飘雪雪花的微观世界

,澳大利亚人麦格钠斯第一个将雪花记于书中。他认为,雪花是星状的,但没有指出它们是六角状。1611年,克普拉在欧洲写了一本关于雪花的书,明确指出,雪花是六角形的;但他没有很好地解释雪花为什么是六角形的。1635年,笛卡尔观测了雪花,并绘制了一些草图,强调雪花的六角形规律性。1660年,巴塞列纳斯出版了雪花素描图,第一次指出雪花有晶状分枝,还讨论了晶体的几何结构。17世纪后半叶显微镜的发明,促进了欧洲有关雪花晶体的研究。1665年,霍克在斯匹茨卑根与格陵兰间航海时,将雪晶形状与气象条件首次联系起来。1681年,意大利牧师罗赛铁试对雪花分类,并对一个六角棱雪晶做了细致的描述。1833年,日本人土井利发表《雪花图说》,这本书包含86个雪晶细节素描。1840年,他又出版了《续雪花图说》,书中有97个素描。

到19世纪后半叶,欧洲因为有了放大技术,对雪晶的研究又进一步广泛起来,诺顿司开特及海尔曼拍摄了许多雪晶照片,将雪晶分为片状、柱状及片柱混合状。1885年,美国的威尔逊花了极大精力拍摄了1万多张雪花照片,50年后,他挑选了2000幅各不相同的、好看的雪花图案,编成非常壮观的《雪花图谱》。他对赞叹不已的人们说:“上天降落到我手中的雪花是极少部分。”雪花专家西逊则断言:“在地球表面,没有两片大小、形状完全相同的雪花。”

20世纪初,对冰雪做过专项研究的日本物理学家中谷宇吉郎博士曾把雪比做“来自天空的信使”,并查明千差万别的雪的结晶形式取决于高空气温高低和水汽的多少。

雪花焉能“大如席”

“燕山雪花大如席,片片吹落轩辕台”是诗人李白描写雪花的名句。燕山在今河北蓟县东南,在诗中用采泛指我国北方。轩辕台遗址在今河北怀来县乔山上。后有人考证,诗中的“席”不是我们现在所说的双人或者单人凉席,而是古人席地而坐的坐席,这样一来,大如席的雪花就不算太夸张了。

那么,雪花究竟能有多大呢?前不久美国科学家在加拿大荒原遭遇暴风雪,他们用激光探测器拍摄到了巨型雪花的照片。加州理工学院一位物理学教授称,大雪花直径一般有2~6英寸,质地异常松软。吉尼斯纪录中的最大雪花直径有15英寸,比平底锅还要大。科学家分析说,雪花就是一个雪晶体,有很多形状,树模石形的雪花是最大的。巨形雪花容易在温度刚刚高于冰点时形成,此时空中的温度在O℃以下并接近0℃,雪花的并合能力特别大,很容易使许多雪花互相联结起来,形成较大的雪片,以湿雪的形式降落下来。我国科研人员发现:从天空中降落的单个雪花晶体的直径一般为0.5~3亳米,但经过多次合并形成的大雪片,最大的直径可达15毫米左右。

雪花晶体的大小与水汽凝华结晶时的温度密切相关。天气越冷,气温越低,雪花晶体越小,在天气十分严寒时,形成的雪花晶体,其直径往往不到0.05毫米。气象学家经过观察发现:当空中温度在-8~-5℃时,形成棱柱状冰晶;当温度为-5~-3℃时,形成针状冰晶;当温度达到-3~0℃时,生成薄薄的六角板状冰晶。由此可见,在温度为-3~0℃时,雪花形状最大、最完整。在非常严寒时形成的雪花晶体反而很小,肉眼几乎看不见,只有在阳光下,人们才能发现像细粉状的它们,这种雪被称之为“干雪”。

彩色的雪

人们常用雪来形容洁白的颜色。其实,雪并非全是白色的,有时是五彩缤纷的。

红雪是一种经常在南、北极地带出现的景象,有时人们在阿尔卑斯山、苏格兰、格陵兰海湾也会看到天降红雪。1918年冬天,格陵兰海湾突然下起了红雪,这是由于暴风将细小红藻混杂在雪中形成的。1959年的一天,在南极上空,突然乌云密布,接着刮起了一场大暴风。暴风过后,飘起了红色的大雪,那雪如鲜血一般鲜红。1980年5月2日晚上,蒙古肯特巴省境内也降了一场红色的雪。经化验表明,每立升红雪中含有矿物质148种,其中有未被溶解的锰、钛、锌、铬和银等化学元素。原来这是红色的矿物质微粒被狂风卷到高空,成了雪花的凝结核所引起的。

100多年前,北冰洋的一个小岛上,下了一场绿雪。整个山川大地披上了绿装,远望浓绿欲滴,异常美丽。科学家们分析研究后认为,这是海水里的绿色藻类被风吹向天空,又在雪形成的时候混入了雪里而形成的。在西伯利亚地区.绿雪和青雪更为常见,这种彩色的雪多与藻类和工业污染有关。

藻类植物不怕冷,可以在雪地里生长。植物学家们根据藻类植物的颜色不同,把它们分为蓝藻、绿藻、黄藻、红藻、褐藻。彩色的雪,有不少就是这些藻类植物被暴风刮到高空,和雪片相遇,粘在雪片上形成的。

至于其他的生物或非生物,也会形成彩色的雪。

1892年,意大利曾下过一场黑雪。这是因为亿万个像针尖般大小的黑色小昆虫,在天空中飞翔,结果沾在雪里降下的缘故。

1962年,苏联下过黄而略带红色的雪。雪后的地面仿佛铺了一层黄红色的地毯,十分美丽。这是风把沙漠里的沙尘带到高空,然后扩散到遥远的地方,同雪花夹在一起落下来而形成的。

苏格兰也下过黑雪,那是因为一些燃烧不充分的煤烟粒,大量沾在雪花上,把白雪染黑了的缘故。

不过,雪的“本质”还是洁白的,看似神奇的彩色雪,只是雪花受到环境中的生物或非生物玷污而形成的。

夏日炎炎天飘雪

你见过六月飞雪吗?

“六月雪,斩窦娥。”这是人们对古代戏剧家关汉卿的名着《窦娥冤》的高度概括。该剧大体是讲,良家女子窦娥受屈被定为死罪。无处申冤的她临死前发下誓愿:死后,天降三尺大雪,掩己尸首,让白雪采证实自己的清白。当六月某日午时开刀问斩时,果然狂风大作、雪花纷飞。因此,有的剧团干脆把这部剧改名为《六月雪》。文艺作品是容许虚构的。人们看完了这部剧,并不会追究六月里能否“天降三尺大雪”。然而,翻开史料,六月降雪或暑天降雪却绝非戏剧中所仅有。

据《扶风县志》记载,早在公元前435年,当地就曾有“六月秦雨雪”。这里的“六月”和《六月雪》中的“六月”都是指农历而言;“雨”字作动词讲,“雨雪”即“下雪”。据江西《金溪县志》和《抚州府志》记载,1653年,“金溪夏六月,炎日正中,忽下大雪,仰半空,玉鳞照耀,至檐前则溶湿不见”。《抚州府志》和《宜黄县志》记戢,1655年,“宜黄六月雪”。福建《建瓯县志》记载,1661年,“建瓯六月朔大寒、降霜,初四日雨雪”。1860年,湖北宜昌一带也出现过夏日降雪的情形,至今在宜昌境内还保存着一块完整的石刻,其上写着:“庚申年又三月十五日,立夏下雪。”

近几十年来,有关夏日飞雪的记载也不少:1958年新疆鸟鲁木齐出现过六月雪。1981年5月31日11时27分,山西管涔山林区开始降大雪.至6月1日15时止,历时27个多小时,降雪量多达50多毫米,雪深25厘米,地面积雪3天后才完全消融。1987年农历闰六月二十四日,上海市区飘起了小雪花。1987年6月5日,张家口地区下-了一场大雪,48小时降温12℃,个别地区降温21℃,最低气温下降到7℃,农业生产受到严重影响。

暑天降雪,在国外也有记载。例如位于赤道附近的印度尼西亚伊里安岛的伊拉卡村,1982年7月24日,下了一整天大雪,气温骤降。由于这个地方常年无雪,人们对寒冷天气的来临缺乏准备,因此,许多人不得不全身涂上猪油采避寒。

暑天下雪虽然少见,但不足为怪,它是一种自然现象。由于受厄尔尼诺等影响,气候发生异常变化,遏上特殊的天气气候条件,比如夏季冷空气长期盘踞一地,加上地理位置、海拔高度等条件,就可能形成暑天下雪的有趣现象。

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