雪花为什么是六边形(为什么有的雪花五个角)
小雪节气已至,
近日,大家的社交软件
是否都被北方大雪刷屏了呢?
今天,
让我们一起来探寻雪花的奥秘吧!
郊行值雪诗
庾信(南北朝)
风云俱惨惨,原野共茫茫。
雪花开六出,冰珠映九光。
还如驱玉马,暂似猎银獐。
阵云全不动,寒山无物香。
薛君一狐白,唐侯调骕骦。
寒关日欲暮,披雪渡河梁。
译文:
天上的风和云都黯淡了,原野山一片茫茫。六瓣的雪花下了起来,雪光像九光灯一样明丽,还像驱赶着玉马,又像捕猎银獐。云形似兵阵一动也不动,寒冷的山上什么也没有。雪像薛君(孟尝君)的白狐裘和唐侯(春秋时的唐成公)的马一样洁白。寒关的天色将要晚了,我迎着雪走上了桥。
读 而 思
"雪花开六出","出",花分六瓣的意思,"六出"即六瓣花。这句话就是说:雪花为六角形,似六瓣形花。
两千多年前西汉文帝时代的韩婴就在《韩诗外传》中明确指出了:"凡草木花多五出,雪花独六出。"直到1611年,德国天文学家刻卜勒才记述雪花是六角形的,这比我国晚一千七百年。
雪花是从哪来的?
雪花从哪里来?是不是天气寒冷就会降雪呢?当然不是这么简单,有两个必要的条件需要满足:一个是水汽饱和。饱和的空气冷却到露点(空气达到饱和时的温度叫做露点)以下的温度时,空气里就有多余的水汽变成水滴或冰晶——雪晶在这些"过饱和"的大气中孕育。另一个条件是空气里必须有凝结核。凝结核是一些悬浮在空中的固体微粒。如果空气中的凝结核没有达到一定浓度,就只有漫天乌云,却见不到降雪了。
雪花为什么大多数是六角形呢?
雪花都是由水汽在小冰晶上凝华增大而形成的,六角形状同水汽凝华的结晶习性有关。冰晶属于六方晶体系,它的分子以六角形状占多数。由于冰晶的尖角处位置特别突出,水汽供应接触最充分,所以在六角形状的冰晶棱角上长出一个个新的枝杈,最后就变成了六个花瓣样各种姿态的雪花。
六方晶系由四个结晶轴构成,其中三个辅轴在一个基面上,互相以60°的角度相交,第四轴(主晶轴)与三个辅轴所形成的基面垂直。当水汽凝华结晶时,倘若主晶轴发育得比另外三个辅轴快,并且延伸很长,那么晶体就会形成柱状;而如果主晶轴发育慢,且很短,那么晶体就形成片状。雪花之所以都是六角形,是因为它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。
谁决定了雪花的形态?
雪花的形态与其所处的气象条件密切相关,特别是温度和湿度。当水汽充足、云中温度下降到-5~-3℃时,天空降下的是针状六瓣结晶冰花;当温度降至-13~-10℃时,天空降下的是六瓣板状晶体雪花;如果是枝状、星状六瓣晶体雪花,通常需要在-18~-14℃温度的范围内了;那种琉璃别致的棱形状晶体雪花,则是在-25℃且水汽处于冰面饱和状态下逐渐形成的。
除六角形雪花之外,科学家们还发现了自然界中三角形雪花的存在。为揭开谜底,科学家们在实验室中模拟与自然降雪相似的条件以制造雪花,通过记录各种不同形状的雪花晶体,最终发现,一些三角形雪花晶体仍然有六个边,只是因为它们都由三长三短的六条边构成,所以看上去像三角形。科学家指出,这种情况一般是由于雪花在降落的过程中,微小的尘埃颗粒等杂质会使雪花的某个边缘产生倾侧,在风力作用下,向下倾侧的边缘会生长得更快,从而形成三角形。
每一朵雪花是很小的,一般直径为0.5~3毫米,不过芝麻粒那般大。3000~10000朵雪花加在一起,也只有1克重。但在极个别情况下,雪花最大的直径能达到10毫米。至于文学作品上所描写的"鹅毛大雪",是它们在飘落途中,成百上千朵雪花粘附在一起形成的。小小的雪花,在它们生成增长的过程中,总是在云中不停地运动着,而它周围的水汽条件也在不断地变化,这就使得水汽在冰晶上一会儿沿着这个方向增长,一会儿又沿着那个方向增长,从而形成了各种形态的雪花。有的像一颗银扣,有的像六角形的薄板,有的像一颗闪闪发亮的星星......真是形形色色,美不胜收。
当今世界上,没有两朵大小、形状一模一样的雪花。不过,万变不离其宗,大多数雪花的基本形状还是六角形。
看似很寻常的一件事,背后竟蕴藏着如此深奧的道理,看来大千世界还有无数的奥秘等待人类去发现。
在诗词中发现科学知识,
在科学中感受诗词之美,
《诗说科学》,
相约每周二,不见不散~
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参考文献:
[1]《郊行值雪诗》 古诗文网 [J\OL]
[2]《300首经典古诗词中的奇妙科学》 同心出版社 [J\OL] 2007-01
[3]《诗词中的科学》杨罡 [J\OL] 北方妇女儿童出版社 2019
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