热烈庆祝北京终于下了一场统计学显著的雪

作者: 窗敲雨、Steed

来源: 果壳

发布日期: 2019-02-12

本文介绍了北京下雪的盛况,以及与雪花相关的科学知识,包括雪花摄影的历史、人造雪花的制作、雪花的形态学、以及太阳系其他星球上的雪。

今天,发生了一件好像没有什么,但是小圈子沸腾的“大事”,那就是……北京终于挂上冬天的尾巴,下雪了!住在北京的朋友们对雪的热情有多么大呢?今天中午还没过完,著名赏雪胜地故宫的8万张当日门票已被一抢而空,明、后两天的门票也没剩多少了!故宫亲自发的初雪自拍 | 故宫博物院微博

为了庆祝北京终于下了一场统计学显著的雪,我们也来凑个热闹,看看和雪花有关的几个小知识吧!最早的雪花摄影出现在一百多年前。1885年,威尔逊·本特利(Wilson Bentley)拍下了第一张清晰记录单片雪花形态的照片。这位痴迷雪花的摄影师在一生中拍下了超过5000张雪花结晶照。Wilson Bentley的雪花摄影作品

本特利拍摄雪花的方法和今天的雪花摄影师其实没什么两样:在室外接住一片雪花,迅速地把它转移到显微镜下,并用与之相连的相机拍照。考虑到那时的设备限制,这些显微照片所呈现的细节已经相当令人震撼了。一百多年前的雪花摄影装备长不出雪花?试试这根兔子毛吧。科学家们不满足于观察自然界的雪花。为了了解雪晶生长的规律,他们还会在实验室可控的条件下培育“人造雪花”。

第一个成功培育出单片人造雪花的人是日本物理学家中谷宇吉郎,下图中左边的雪花就是他在实验室里生长出来的。这片人造雪花的特别之处在于:它生长在一根兔子毛上。最初,中谷宇吉郎选择了棉线作为凝结核,但他发现附着在棉线上的冰晶很难长成单片雪花的样子,换用毛线绳的效果也不理想。而最终,一根兔毛成功地解决了问题。当然,后来的人造雪花已经不再需要兔子毛了。

现在,科学家们能制造出更适合作为雪花凝结核的细小冰晶,也可以通过电场控制人造雪花的结晶过程。这种带着一根“杆”的人造雪花就是利用了强电场来干预冰晶生长

装饰品上八个角的雪花是不可能存在的。星形雪花都是六角的,这一点由冰晶的晶型决定,水分子在其中总是会排列成多层六边形的网格状。所以,下面这种雪花是无论如何不会存在的……图片来自:thelittleblondebaker.com

不过,如果两个六分支的雪花以近乎完美的形式贴在一起,它们就能变成一朵格外美丽的十二角雪花。图片来自:Kenneth G. Libbrecht自然界不好找两片相同的雪花,但实验室里可以。在自然界很难寻觅两片相同的雪花,不过至少在实验室里,制造出两片几乎一模一样的雪花是可以办到的。这些双生雪花诞生在肯尼思•利布莱希特(Kenneth G. Libbrecht)教授的实验室里。

雪花结晶的形态主要取决于环境中的温度与湿度,在同一次模拟雪晶生长的实验中,临近的两个雪晶所处的“生长环境”各方面条件都基本相同,因此它们也会长得格外相似。在实验装置中制造这些双生雪花差不多需要30~40分钟时间,在雪花旁边围绕着的是潮湿空气形成的小雾滴。雪花不一定是水做的。地球上的雪花是水蒸气凝华形成的结晶,而在其他星球上,还有其他物质产生的“雪”,比如由二氧化碳组成的“干冰雪”。

火星勘测轨道飞行器的观测结果显示,在火星表面就存在着干冰冰晶形成的“降雪”。当然,二氧化碳的分子性质与水分子非常不同,形成的“冰晶”形态和雪花也完全不一样。“干冰雪花”的形状是截半立方体,个头也比水冰雪花要小得多,它们飘洒在空中的样子恐怕远没有雪花那么有观赏性。看雪还是在地球上比较好啊……在模拟火星条件下形成的“干冰雪”结晶 | exploratorium.edu

既然飞出地球了,我们就顺便看看其他星球上下雪是啥样的。除了不是水做的,有时雪甚至不必是白色的。在火山活动频繁的木卫一(Io)上,地表下的二氧化硫被加热到熔融状态,随着火山活动而被喷射到寒冷的真空之中。在那里,二氧化硫很快便会结晶成为薄片,绝大多数会在重力作用下落回木卫一的表面,就像纷纷扬扬的雪花。只不过,这些二氧化硫雪花是黄色的。木卫一表面被黄色的二氧化硫雪覆盖 | NASA

在更遥远的海王星卫星——海卫一(Triron)上,雪由氮和甲烷的混合物构成。液态的氮和甲烷在地热活动中通过喷泉被射到高空,然后凝结成雪飘落下来,覆盖住了海卫一的南极地区。这些雪是粉红色的!海卫一的表面,覆盖着粉色的雪 | NASA

直到去年我们才得以一睹真容的冥王星,也跟海卫一上一样,下着粉红色的雪。从新视野号拍回的照片上就可以看出,冥王星上的那颗“心”,实际上就是一大片粉红色的雪原。这里的雪也由氮和甲烷凝结而成,或许还有少量的一氧化碳。矮行星冥王星上的那颗“心”,就是一大片粉红色的雪原 | NASA

不过话说回来,从太阳系里各个星球的情况看来,下雪这样的天气现象实属罕见,只有上述极少数的星球上才会出现雪花飘扬的场景。而这其中能够让我们开心玩耍,堆个雪人,打个雪仗的,至少目前看来,也只有地球上的雪才可以做到。所以,你赶在雪化之前打雪仗了吗?

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