关于雪的知识

大气中以固体形式落在地球表面的降水称为大气固体降水。雪是最广泛、最普遍和最主要的大气固体降水形式之一。大气固体降水有很多种,有美丽的雪花,有能造成巨大危害的冰雹,还有我们不常见到的雪霰和冰粒。

雪花的形成

空气运动中的水汽如何在天空形成降雪?零下的温度够吗?不会,水蒸气要想结晶,必须满足两个条件才能形成降雪:

一个条件是水蒸气饱和。空气在一定温度下所能容纳的最大水蒸气量称为饱和水蒸气。空气达到饱和的温度称为露点。当饱和空气冷却到露点以下的温度时,空气中多余的水蒸气就变成了水滴或冰晶。由于冰面的饱和水汽含量低于水面,冰晶生长所需的水汽饱和度低于水滴。也就是说,只有在相对湿度(相对湿度是指空气中的实际蒸汽压与空气在相同温度下的饱和蒸汽压之比)不小于100%时,水滴才能生长;至于冰晶,往往在相对湿度小于100%的情况下生长。比如气温-20℃,相对湿度只有80%时,冰晶就可以生长。温度越低,冰晶生长所需的湿度就越小。所以在高空低温环境下,冰晶比水滴更容易产生。

另一个条件是空气中必须有凝结核。有人做过实验,如果没有凝结核,空气中的水蒸气只有过饱和到相对湿度超过500%才会凝结成水滴。但是这么大的过饱和现象在自然大气中是不会存在的。所以没有凝结核,我们很难在地球上看到雨雪。凝结核是悬浮在空气中的微小固体颗粒。理想的凝结核是那些吸收最多水的粒子。例如海盐、硫酸、氮气和其他化学物质的颗粒。所以我们有时会看到天上有云,但是没有降雪。在这种情况下,人们经常使用人工降雪。

天空中不凝结的雪花

雪从天而降。天空中怎么会有不凝结的雪花?

1773年冬天,俄罗斯彼得堡的一家报纸报道了一则很有意思的新闻。据新闻报道,在一次舞会上,由于人数众多,数百根蜡烛的燃烧,舞厅里又热又闷,身体不好的女士们和先生们差点晕倒在欢乐之神面前。这时,一个小伙子跳上窗台,一拳打碎了玻璃。结果,舞厅里出现了意想不到的奇迹。美丽的雪花随着窗外寒冷的气流在大厅里飞舞,落在被热得头晕目眩的人们的头发和手上。有人好奇地冲出舞厅,想看看外面是否在下雪。令人惊讶的是,天空繁星点点,月牙儿银如水。

那么,大厅里的雪花是从哪里来的呢?这真是一个令人费解的问题。有人在玩什么魔术吗?但魔术师再聪明,也不可能在大厅里玩雪花。

后来,科学家解开了这个谜。原来舞厅里很多人的呼吸都充满了水汽,蜡烛的燃烧已经散落了很多凝结核。当窗外的冷空气破窗而入,迫使大厅内的饱和水蒸气立即凝结结晶,变成雪花。所以只要有下雪的条件,屋子里就会下雪。

雪花的基本形状

下雪的时候风景很美,但科学家和工艺美术家欣赏的是精美的雪花图案。一百多年前,冰川学家开始详细描述雪花的形状。

西方冰川学鼻祖丁多儿在他的经典冰川学著作中描述了他在洛扎峰上看到的雪花:“这些雪花...都是由小冰花组成的,每个冰花有六个花瓣,有的像苏华一样释放出美丽的小侧舌,有的是圆形的,有的是箭头形的,或之字形的,有的是完整的,有的是格子形的,但都没有超出。

在中国,早在公元前100年的西汉文帝时代,就有一个叫韩婴的诗人,他写了一部《韩诗传》,其中明确指出,“草木五花之处,独雪花六片。”

雪花的基本形状是六边形,但自然界中几乎没有两片完全相同的雪花,就像地球上没有两个完全相同的人一样。许多学者用显微镜观察了成千上万的雪花。这些研究最终表明,自然界中不可能形成形状和大小完全相同、部分完全对称的雪花。

在这些被人们观察到的雪花中,即使是规则对称的雪花也有畸形。雪花为什么会变形?因为雪花周围大气中的水汽含量不可能各个方向都一样,只要稍有差别,水汽含量多的那一面总是长得快。

世界上有很多雪花图案的收藏者。他们像集邮爱好者一样收集各种雪花照片。一位名叫本特利的美国人,一生拍摄了近6000张照片。苏联的摄影爱好者西格山也是雪花照片的摄影师。他迷人的作品经常被工艺美术家用作结构图案的模型。日本人中谷由次郎和他的同事们努力了20年,在日本北海道大学实验室的寒冷房间里,在日本北部雪原上的帐篷里,拍摄并研究了成千上万的雪花。

然而,尽管雪花的形状多种多样,但它们保持不变,因此科学家有可能将它们归类为上述七种形状。在这七种形状中,六角雪花和六棱柱雪花是雪花最基本的形态,其他五种只是这两种基本形态的发展、蜕变或组合。

雪对人体健康的影响

冬天大雪纷飞,无边无际。人们在观赏玉树琼花时,往往忽略了雪的作用。雪对人类健康有很多好处。《本草纲目》早有记载,雪水可以解毒,治愈瘟疫。有一个用雪水治疗火烧伤和冻伤的偏方。

经常用雪水洗澡,不仅可以增强皮肤与身体之间的抵抗力,减少疾病,还可以促进血液循环,增强体质。长期喝干净的雪水,可以长寿。这是那些长期生活在深山老林中的人的“秘密”之一。

为什么雪有这么奇怪的功能?因为雪水所含的重水比普通水中少1/4。重水会严重抑制生物的生命进程。经测试,鱼在含30-50%重水的水中会很快死亡。雨雪形成的最基本条件是大气中存在“凝结核”,大气中的尘埃、煤粒、矿物质等固体杂质是最理想的凝结核。如果空气中的水汽、温度等气象因素达到一定条件,水汽就会在这些凝结核周围凝结成雪花。因此,雪花可以清洁空气中的大量污染物。所以每次大雪过后,空气都特别清新。

据测量,新雪的密度一般为每立方厘米0.05-0.10g。所以地面积雪对声波的反射率极低,可以吸收大量声波,有助于降低噪音。

雪的保温功能

雪就像一张奇妙的地毯,覆盖着大地,这样地面的温度就不会因为冬天的寒冷而降得太低。雪的这种保温效果是和它自身的特性分不开的。

众所周知,冬天穿棉袄很暖和。为什么穿棉袄会暖和?这是因为棉花的孔隙率很高,棉花的孔隙中充满了大量的空气,导热性差,这层空气阻止了人体的热量向外扩散。覆盖在地球胸部的雪和棉花很像,雪花之间的孔隙率很高。正是这层空气钻入雪的孔隙,保护地面温度不会降到很低。当然,雪的保温功能是随时随密度变化的。这很像穿新棉袄特别暖和,旧棉袄不太暖和。新雪密度低,里面储存的空气多,保温效果特别强。陈雪像旧棉袄,密度大,保温效果弱,因为里面储存的空气少。

为什么一个物体储存的空气越多,保温效果越强?

这是因为空气是不良导体。我们知道,任何物体本身都能传递热量,这种传递热量的性质就叫做物体的导热系数。在自然界常见的几种物质中,空气的导热性最差。因此,一个物体中含有的空气越多,它的导热性就越差。因为雪中所含的空气量变化很大,所以雪的导热系数也变化很大。一般新下的雪毛孔大,保温效果最好。春季融雪后期,雪被水浸湿,其导热系数更接近水,因此雪的保温作用趋于消失。