我们都知道,云是由许多小水滴和小冰晶组成的,雨滴和雪花是由这些小水滴和小冰晶增长变大而成的.那么,雪是怎么形成的呢?
在水云中,云滴都是小水滴.它们主要是靠继续凝结和互相碰撞并合而增大成为雨滴的.
冰云是由微小的冰晶组成的.这些小冰晶在相互碰撞时,冰晶表面会增热而有些融化,并且会互相沾合又重新冻结起来.这样重复多次,冰晶便增大了.另外,在云内也有水汽,所以冰晶也能靠凝华继续增长.但是,冰云一般都很高,而且也不厚,在那里水汽不多,凝华增长很慢,相互碰撞的机会也不多,所以不能增长到很大而形成降水.即使引起了降水,也往往在下降途中被蒸发掉,很少能落到地面.
最有利于云滴增长的是混合云.混合云是由小冰晶和过冷却水滴共同组成的.当一团空气对于冰晶说来已经达到饱和的时候,对于水滴说来却还没有达到饱和.这时云中的水汽向冰晶表面上凝华,而过冷却水滴却在蒸发,这时就产生了冰晶从过冷却水滴上"吸附"水汽的现象.在这种情况下,冰晶增长得很快.另外,过冷却水是很不稳定的.一碰它,它就要冻结起来.所以,在混合云里,当过冷却水滴和冰晶相碰撞的时候,就会冻结沾附在冰晶表面上,使它迅速增大.当小冰晶增大到能够克服空气的阻力和浮力时,便落到地面,这就是雪花.
在初春和秋末,靠近地面的空气在0℃以上,但是这层空气不厚,温度也不很高,会使雪花没有来得及完全融化就落到了地面.这叫做降"湿雪",或"雨雪并降".这种现象在气象学里叫“雨夹雪”.
同样雪的大小也按降水量分类. 雪可分为小雪,中雪和大雪三类, 具体见表3.
表3. 各类雪的降水量标准
种类 小雪 中雪 大雪
24小时降水量 2.5以下 2.6-5.0 大于5.0
12小时降水量 1.0以下 1.1-3.0 大于3.0
雪花的形状
雪花的形状极多,而且十分美丽.如果把雪花放在放大镜下,可以发现每片雪花都是一幅极其精美的图案,连许多艺术家都赞叹不止.但是,各种各样的雪花形状是怎样形成的呢?雪花大都是六角形的,这是因为雪花属于六方晶系.云中雪花"胚胎"的小冰晶,主要有两种形状.一种呈六棱体状,长而细,叫柱晶,但有时它的两端是尖的,样子象一根针,叫针晶.别一种则呈六角形的薄片状,就象从六棱铅笔上切下来的薄片那样,叫片晶.
如果周围的空气过饱和的程度比较低,冰晶便增长得很慢,并且各边都在均匀地增长.它增大下降时,仍然保持着原来的样子,分别被叫做柱状、针状和片状的雪晶.
如果周围的空气呈高度过饱和状态,那么冰晶在增长过程中不仅体积会增大,而且形状也会变化.最常见的是由片状变为星状.
原来,在冰晶增长的同时,冰晶附近的水汽会被消耗.所以,越靠近冰晶的地方,水汽越稀薄,过饱和程度越低.在紧靠冰晶表面的地方,因为多余的水汽都已凝华在冰晶上了,所以刚刚达到饱和.这样,靠近冰晶处的水汽密度就要比离它远的地方小.水汽就从冰晶周围向冰晶所在处移动.水汽分子首先遇到冰晶的各个角棱和凸出部分,并在这里凝华而使冰晶增长.于是冰晶的各个角棱和凸出部分将首先迅速地增长,而逐渐成为枝叉状.以后,又因为同样的原因在各个枝叉和角棱处长出新的小枝叉来.与此同时,在各个角棱和枝叉之间的凹陷处.空气已经不再是饱和的了.有时,在这里甚至有升华过程,以致水汽被输送到其他地方去.这样就使得角棱和枝叉更为突出,而慢慢地形成了我们熟悉的星状雪花.
上面说的实际上是一个典型的星状雪花的形成过程.它的相当部位,不论形状或大小,都应当是相同的.这种典型的星状雪花只有在一个理想的、平静的环境中(譬如在实验室内)才能形成.在大气中,它不能象上面说的那样有步骤地增大,所形成的形状也就不能那样典型.这是因为冰晶逐渐在下降着,而且有时在旋转着,各个枝叉接触水汽的多少有所不同,而那些接触水汽较多的枝又便增长得较多.因此,我们平常所看到的雪花虽大体上一样但又互不相同.
另外,雪花在云内下降的过程中,也会从适宜于形成这种形状的环境降到适宜于形成另一种形状的环境,于是便出观了各种复杂的雪花形状.有的象袖扣,有的象刺猾.即使都是星状雪花,也有三个枝叉的、六个枝叉的,甚至有十二个枝叉、十八个枝又的.
以上所述都是单个雪花的情况.在雪花下降时,各个雪花也很容易互相攀附并合在一起,成为更大的雪片.雪花的并合大多在以下三种情况下出观.(1)当温度低于0℃的时候,雪花在缓慢下降的途中相撞.碰撞产生了压力和热,使相撞部分有些融化而彼此沾附在一起,随后这些融化的水又立即冻结起来.这样,两个雪花就并合到一起了.(2)在温度略高于0℃的时候,雪花上本来已覆有一层水膜,这时如果两个雪花相碰,便借着水的表面张力而沾合在一起.(3)如果雪花的枝叉很复杂,则两个雪花也可以只因简单的攀连而相挂在一起.
雪花从云中下降到地面,路途很长,在条件适合时,可以经多次攀连并合而变得很大.在降大雪的时候,有时有一些鹅毛般的大雪片,就是经过多次并合而成的.
但是,有时雪花互碰时不是互相并合在一起,而是给碰破了,这时便产生一些畸形的雪花.例如,在降雪的时候,有时会见到一些单个的"星枝",就属于这种情况.