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解开雪花形状之谜

时间:2024-02-23 10:37:52  热度:0°C

  肯尼斯·利布莱希特是一个奇怪的人,他在隆冬时节兴高采烈地离开温暖的美国南加州,前往美国最北的阿拉斯加。在那里,他穿上棉大衣,带着相机和一块泡沫板坐在野外,等待着下雪。

  具体地说,他是为了寻找大自然所能产生的轮廓最分明、最美丽的雪花。这些雪花往往在最冷的地方形成。利布莱希特是一位研究天体的物理学家,但他有一个业余爱好——研究雪花,不仅研究其外观,还研究其形成。

  雪花比我们想象的要复杂和神秘得多。为了解开这个谜团,利布莱希特进行了长达20年的探索,终于解开了雪花形成之谜。

  冰晶为什么是六角形的?

  雪花是水蒸气在大气中结晶形成的一组冰晶,冰晶是组成雪花的基本单元。

  每个人都知道没有两片雪花是完全相同的。这一事实源于冰晶在高空形成的方式。虽然在同一朵云中,各处的温度和湿度都有差异,但在形成一片雪花的小范围内,这些差异可以忽略。这就是为什么冰晶的生长通常是对称的。另一方面,每片雪花在下落过程中,由于受到不断变化的风、阳光和碰撞等因素的影响,落到地面会呈现出略为不同的形状。

  虽然没有完全相同的两片雪花,但冰晶的形状还是有规可循的。譬如,冰晶总是六角形的。为什么会这样呢?我们现在知道,水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。由于相邻水分子中的两个氢原子倾向于以氢键相连,所以它们容易锁在一起,形成以氧原子为角的六角形阵列。这个阵列有着向四周开放的结构,所以又能不断地生长,最终形成雪花。

  在六角形结构中,水分子之间的平均距离要大于液体状态下的平均距离,所以这还使冰的密度低于液态水。这一点极大地影响了地球的环境。如果冰不是浮在水上的,地球上的生命就不可能存在。

  雪花的两种主要类型

  雪花是由冰晶生长起来的。冰晶既可以朝着横向生长,也可以朝着纵向生长。就像六角形的地砖,既可以铺开来,又可以叠起来。一般来说,冰晶的生长在两个方向上是同时进行的,但有快慢之分。取决于哪个方向上生长得更快,雪花主要有两种类型:薄片状和柱状。其他类型,则基本上是这两种类型的组合(比如线轴状,中间是柱状,两边是薄片状),或者增加一些花边。

  有趣的是,在生长过程中,冰晶会根据周围的的温度和湿度,不停地调整生长策略:薄片状形成于-2℃左右,柱状形成于-5℃左右,然后在-15℃左右再次形成薄片形,在-30℃时再次形成柱状……在低湿度下,花边简单/在高湿度下,花边复杂。

  那么,冰晶为什么要随着温度的变化调整生长策略呢?决定冰晶长成薄片状或柱状的原子过程是什么?

  利布莱希特试图解开这些谜。二十多年来,他一直在试图为冰晶的生长建立一个统一的模型。他的梦想是,只要在模型中输入温度、湿度等一套参数,计算机就能显示出我们实际看到的各种绚丽多姿的雪花图案。如今,他的这个目标大致实现了。

  雪花的生长模型

  为了观察冰晶的生长,利布莱希特通过精确地控制温度和压强等条件,在封闭容器中制造出轮廓鲜明、多姿多彩的雪花。多数情况下它们比头发丝还要细小,要在显微镜下才能观察。因为如果它们变得太大,形状就会太复杂,不容易研究。

  在大量的观察和实验基础上,利布莱希特最后建立起一个叫“表面能驱动的分子扩散模型”来描述冰晶的生长。

  这个模型有点复杂,这里不便详述。不过为了让你有个大致的印象,我们不妨想象一下:水蒸气刚开始凝结时,凝结的水分子开始形成一个刚性的晶格,每个氧原子被4个氢原子包围着。这个晶格将通过把周围空气中的水分子拉进来形成更多的晶格而生长。它们既可以向四周扩张,也可以向上下延伸。那么,它会选择什么策略呢?这取决于在何种情况下,晶体的表面能达到最低。

  对于表面能,我们不妨理解成一个有张力的表面的张力势能。譬如,气球的表面是有弹性的,当气球充了气之后,只有形状是球体时,它的张力势能才最低。气球之所以既不是方形的,也不是菱形的,而是球形的,就是这个道理。

  同样,冰晶也有表面能。冰晶的表面能受着温度、压强等因素的影响,这就决定了它们在不同温度和压强的条件下会生长成何种形状。譬如,在压强很高的条件下,我们只会得到薄片状的雪花晶体,柱状的就不会出现。

  利布莱希特的模型不仅帮助我们解开了雪花的形状之谜,对于研究其他晶体的生长也有重要的启发。结晶是工业中的常见手段。药物分子、半导体芯片、太阳能电池和无数其他应用都依赖于结晶得到的高质量晶体。

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