我们都知道,每片雪花都是独一无二的,因为它们的生长方式略有不同。 然而,独特的六角形无法从不断变化的外观中逃脱。 这个单一的结构被塑造成打雪仗,在移动时仍然供人们观看和躲避。
在我们所处的三维空间中,这些晶体可以向任何方向生长。 为什么它们总是扁平的六边形? 为什么雪花基本上是二维的?
这一切都归结为冰晶在分子水平上的形成方式。
决定雪花形状的最重要条件是温度。 不同的温度通常对应不同的形状。 在大约 -10 到 -22 摄氏度之间,您最有可能看到一种称为树突的羽毛状六足动物形状。
在这一点上,雪花并不总是平坦的。 根据温度和湿度等大气条件,它们可以形成柱状、玫瑰状、针状或任意数量的形状。 在 -3 到 -10 度之间,它们可能形成空心柱或窄针。
但无论如何,在很宽的温度范围内,雪花最基本的结构是扁平的六边形,而不是华丽的树突。
我们不知道为什么温度对微小晶体的形状有如此大的影响。 但可以肯定的是,它们是相对二维的。 为什么?
答案是,这些简单平面的六个边与水的结构是对称的,即分子结构的直接结果。
水分子具有化学家所说的弯曲几何形状。 因为它看起来像是弯曲成两半。 如下图所示:
水也是极性的,这意味着弯曲分子的一端——氧——带负电荷,而两个氢带正电荷。
这意味着当水分子聚集在一起形成固体时,它们会以正电荷和负电荷排列——氧到氯,当所有键对齐时,氯自然形成六边形。
晶体生长的这一特性,即化学键的可用性,决定了更大的结构,称为刻面。
根据条件的不同,水分子可能更容易抓住六边形的边缘 - 形成薄板的形状 - 或表面,这意味着它将长成柱状。 这种奇怪的效果被称为锐化。
这就是为什么所有的雪花都有一个六边形的结构。
但是当条件合适时,这些六边形可以开始膨胀。 这是我们另一个最重要的条件:湿度。
随着雪花的生长,它周围的水被融入到晶体中。 这意味着在那个狭小的环境中,水较少,水分子必须走得更远才能加入雪花。
但是在边缘附近,水分子不需要走那么远。 因此,它们更容易更快地连接边缘,并且再次锐化会导致更靠近雪花边缘的较小结构。
随着晶体变大,它也开始生长得更快,因为这些分子附着在边缘上。
只要条件允许,晶体在边缘的生长速度就比在表面快,边缘变得非常细,从而产生这些枝晶结构。 条件必须恰到好处,但要做到这一点的不仅仅是水。 在适当的情况下,即使是食盐也可以形成枝晶结构。
所以我们很幸运,下雪的时候,一切都在正确的地方。 这就是为什么我们可以欣赏到这个“六角公主”的各种美丽形状。