今冬以來最大範圍降雪來襲 科學家帶你看沒見過的雪

摘要：在遊移的過程中，會黏附著在圓化雪晶體上，使圓化雪晶體變化成形狀各異的、直徑範圍在1-3mm的多面體雪晶體。當雲中溫度低於0℃時，出現過冷的水氣和合適的氣溶膠，以飽和的空氣團中的塵埃粒子為核心，通過吸引過冷的水滴，然後以晶體的形式凝聚，雪雛形冰晶體便在雲中形成。

28日夜間至30日，中國北方將出現一輪大範圍雨雪天氣。華北多個城市可能將迎來今冬初雪。北京今或迎首個「準點」初雪，預計今天（29日）傍晚前後到夜間北京將有小雪。看雪、賞雪、堆雪人、打雪仗、滑雪，說到對雪的喜愛，南北方難得達成了一致。但說到「玩」雪，恐怕沒有人敢說自己比他們更專業。

中國科學院新疆生態與地理研究所積雪研究團隊對賽里木湖湖面雪晶體樣本拍照（攝影： 范書財 2019年1月17日）

他們，就是中國科學院新疆生態與地理研究所積雪研究團隊。

說到雪，大家有哪些認識？白色，涼的，溫度上升會融化？

其實雪不單單只有這些屬性，當你靠近去觀察雪，就會發現一個神奇的雪世界。現在就讓我們跟隨著天山積雪研究團隊，一起走入雪的奇妙世界吧。

在天寒地凍，風刀霜劍的冬天，萬物沉寂。雪從天而降，開始了她絢麗多彩的一生。

Part.1

雪晶體的前世

雪是上天派到大地的信使，她會帶給我們許多天空中的信息。

當水汽壓超過水汽飽和點，大氣中水汽過飽和時，形成雲。當雲中溫度低於0℃時，出現過冷的水氣和合適的氣溶膠，以飽和的空氣團中的塵埃粒子為核心，通過吸引過冷的水滴，然後以晶體的形式凝聚，雪雛形冰晶體便在雲中形成。

從天而降的雪

水汽不斷地凝聚在雪雛形冰晶體上，當冰晶達到了足夠的尺寸，並可能與其他冰晶合併，到達一定重量，然後以雪的形式飄落下來。

當雪花在不同的溫度和濕度的大氣中移動時，會出現複雜的形狀。

它們主要可以分為八大類和至少80個個體變種。冰晶的主要組成形狀是針狀、柱狀、板狀等，而冰晶相互之間又可以出現多種組合，從而復合成形狀各異的雪花。所以我們可以根據雪花的形狀來判斷局域的氣候和氣候變化。

絢麗多彩的雪花

看起來白茫茫的雪，其實是由無色冰晶體構成的。而雪花對光的漫反射是雪呈現白色的主要原因。

Part.2

雪晶體的少年故事

雪花從天而降，在飄落的過程中會磨掉雪花的枝角。同時雪花之間相互擠壓，會破碎成細小的冰晶，最終成為直徑小於0.5mm的圓形顆粒，我們稱為圓化雪晶體。它是雪晶體在地面上發育生長的起始狀態。

雪是一種低的熱傳導體，較低的熱傳導性使積雪可以被認為是一種絕熱體。

隨著雪的積累，積雪厚度增加。雪的低熱傳導性導致雪表面和靠近大地的雪層溫度明顯不同，從而使積雪內部溫度呈現明顯的梯度變化。

午間太陽光的熱輻射和空氣溫度導致表面雪層的溫度高於底部雪層，而當夜晚到來，溫度下降，表面雪層的溫度低於底部雪層的溫度。晝夜溫度的變化導致積雪溫度梯度方向改變。溫度梯度驅動雪中的自由水汽運移，水汽時而向上運動，時而向下遊動。在遊移的過程中，會黏附著在圓化雪晶體上，使圓化雪晶體變化成形狀各異的、直徑範圍在1-3mm的多面體雪晶體。相鄰的多面體雪晶體也會被遊離的水汽燒結在一起。雪中的燒結猶如電焊把鐵板焊接在一起一樣，牢固的把雪晶體連接在一起。

單一的多面體雪晶體和多個晶體的燒結

Part.3

雪晶體的中年盛況

隨著不斷的降雪，處於雪晶體青春期的多面體雪晶體被新降的雪覆蓋，積雪厚度不斷增加。

此時最底層的雪層溫度會一直高於積雪表層溫度，整個雪層內的溫度環境不再有劇烈的變化，溫度梯度變大並且方向呈現穩定態勢，水汽運移加強並且方向也隨之統一。

水汽不斷黏附在多面體雪晶體上，晶體之間相互的燒結作用不斷加強。雪晶體顆粒逐漸變大，並且形成有迷宮狀、瑪瑙狀、金字塔狀、鑽石狀、手槍狀等各種規則形狀的雪晶體，晶體直徑一般為3-10mm。這種個體較大的雪晶體被稱為深霜。深霜具有明顯的菱角，相互獨立，相互之間的空隙較大。深霜相互之間的結合差，空隙較大，其呈現散碎形態，我們也稱其為糖雪，猶如白糖一樣零散。這就是為什麼有時候走在雪地上，會一腳踩空的原因。

各種深霜形態

居於中下層的雪晶體在高的溫度梯度作用下，發生明顯的燒結現象，形成燒結在一起的深霜鏈。

燒結的深霜鏈

最低層的深霜承載著上層全部雪的壓力，在壓力的作用下，燒結在一起的深霜發生凝聚，形成硬度較大，密實的凝聚態結構。

凝聚深霜形態

深霜發育的同一時期，位於表層的雪晶體也呈現生長態勢。它接觸大氣中的水蒸氣，當水蒸氣達到冰點時，會導致從水蒸氣（氣體）到冰（固體）的相態變化並黏附在雪晶體上。當相對濕度高於90%且溫度低於−8°C時，就會形成 蕨類狀的冰結構，我們稱為表霜。

表霜的蕨類狀結構

雪面上長出來的表霜

表霜一般逆著風向生長，因為迎風來的空氣比背風來的空氣濕度更高。但風不能太強，否則會損壞脆弱的蕨類狀冰結構。

迎風而長的表霜

表霜晶體的大小在很大程度上取決於溫度、水蒸氣量以及它們在不受干擾的情況下生長的時間。中國科學院新疆生態與地理研究所的積雪研究團隊觀測發現，新疆巴音布魯克草原的表霜能形成高6cm，直徑8cm的絨花一樣結構。

雪絨花（攝影： 郝建盛2018年2月24日拍攝於巴音布魯克草原）

雪絨花的量度

表霜晶體的形狀取決於它們積聚的時間和水蒸氣（濕度）的濃度。霜晶可以是透明的或白色的。當霜晶向四面八方散射光時，霜晶的塗層會呈現白色。

表霜的形態

積雪是由數次降雪積累形成的，由於沉降時間不同，雪晶體的發育程度不同，雪晶體的顆粒和大小也就形成了明顯的差異，因此積雪形成了輪廓明顯的層理結構。

一個理想化的自然雪晶體從初始到深霜的發育變質過程為：新雪沉降-雪晶體破碎和圓化-多面體雪晶體-深霜。理論上，雪剖面觀測到的雪晶體從上到下為圓化雪晶體，多面雪晶體，深霜。

天山山區積雪剖面和各雪晶體的形態（攝影： 范書財2019年1月10日拍攝於新疆奇台縣境內山區）

是隆冬期天山山區的積雪剖面的雪晶體層理，自上到下為圓化雪晶體、多面體雪晶體、多面雪晶體鏈、空杯深霜、深霜鏈、柱狀深霜、凝聚深霜。

Part.4

雪晶體的暮年晚景

春天來臨，大地回暖，萬物復蘇時，積雪卻進入了暮年。

隨著氣溫升高，整體雪層的溫度也升至0度，雪層內的含水率明顯增加，積雪的深度也迅速下降。 在雪層溫度呈現0度時 ，雪晶體開始了等溫變質，整個雪層的雪晶體菱角被圓化，並經歷反復的凍融，雪晶體膠結在一起，體積也不斷增加，形成 融態雪晶體。

融態雪晶體

隨著溫度不斷升高，融態雪晶體逐步消亡，最後逐漸變成液態水。

Part.5

雪晶體的後世傳說

春天，白天溫度較高，一部分雪升 華為 氣態進入天空。另一部分雪融化成液態水，匯入江河成為重要的淡水資源或滲入地下滋潤萬物。當夜晚來臨時，溫度下降，沒有上天入地的雪水重新被凍結，鑲嵌入泥土里，反反復復。當雪水全部消失時，她會在大地上留下深深的刻痕，以此來傾訴她的不舍與眷戀。

輕輕的我走了，正如我輕輕的來。

雪遺留在大地上的刻痕

吾從天上來，遁入地下歸

苦寒之日現，歲歲來望君

問君知吾否，知音難尋覓

瑰麗一生行，孤芳以自賞

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