作为一个从小生活在北方的人,小时候总有一个属于冬天的梦想——下了一夜的雪,大到门都打不开,于是学校通知:今天不用上学了!这个梦想在上学期间从未实现过,后来我就上班了。上班以后就算下再大的雪,也不会接到公司的关爱通知:今天不用上班了。一点都不夸张地说,如果下一场这么大的雪,我能在雪地里打滚。不过雪下得再大,你可能都不会留意到雪花的样子,而如果你小时候玩过剪纸,就应该或多或少剪过几个雪花吧。
雪花真的有这么多种形状吗?它们又是怎么长成这样的呢?
雪花的家族谱和生长史,决定了雪花六边六角的特性。但生长速度的快慢,以及先生长哪部分,是“躯干”还是“四肢”,是生成枝枝丫丫的雪花,还是长得像护心镜一样的正六边形,这都要靠外界环境说了算了。
在20世纪五六十年代的日本,出现了一批大神级别的“雪花人”——以中谷宇吉郎为首的北海道大学学者们,专注于低温水结晶的研究,最终做出了两张图:其中一张是雪花家族的谱系,基本上我们常见的雪花,都可以用这张家族表来对号入座;另一张图是雪花的生长史,它告诉我们为何雪花出落得规规矩矩而又千奇百怪。
既然从根本上来说,雪花是水构成的,那么环境中的水汽是否充足,就是影响雪花形成最重要的条件之一。
倘若缺少水汽,雪花在缺衣少食的环境下成长,不但整体生长速度缓慢,很难长成大雪花,而且六个角六个边生长速度差异不大,到最后,就会变成六边形,而没有太多枝杈。如果周围水汽超级充足,雪花能够“吃饱”,那么它就进入快速生长模式:六个尖角比六个平边更容易接触到水分子,所以尖角就会迅速生出枝杈。由此可见,呈“花”状的雪花,基本是在水汽充足的环境下长大的。
除了受到水汽影响,雪花的形状与温度的关系也密不可分——水冰晶生长过程中,先往哪个方向长,就是温度决定的。在冰晶很小很小的时候,基本都是六边形的小片,如果温度低于-20℃,那么它会越长越厚,在-10℃~-20℃之间,它喜欢长得扁平。同样,在-5℃~-10℃时,雪花又喜欢往厚了长,而在0~-5℃之间,它又喜欢往扁平长。
冰箱里和窗户上的“异形”,冰箱里生成的“雪花”有了一定的水汽量和一定的温度,是不是就一定能生长出雪花呢?在我们身边,最常见的符合上述两个条件的地方,就是冰箱的冷冻室里。如果在冰箱中冻半瓶水,瓶盖下方垂一根针,用不了多久,一枚“雪花”便在针尖附近长出来了,形如松树——等等,不是雪花么,怎么又松树了?不好意思,在冰箱冻出来的雪花一般只有1瓣,而不是我们心目中那种6瓣的。
冰箱中很难实现云层中水自由结晶的状态,于是也极难形成6瓣的雪花。
同样的情况,在北方冬季的窗户上也能见到。由于室外寒冷,室内水汽充足时,便可在冰冷的玻璃上冻出“窗花”。“窗花”一般都如叶脉般自由伸开,很少能形成单个的晶体,这是由于玻璃表面细微的不均匀造成的,所以在玻璃窗上,我们很难见到像典型雪花一样的6瓣“窗花”。