暴雪来袭，物理“看”雪，与众不同

气体和液体之间的转换一直在我们周围发生，但是液体和固体之间的转换相对来说很少。相比之下，水在自然界中非常特殊，不仅因为水经常结冰和蒸发，还因为水有两种固体形式——冰和雪。看到这一点，一些朋友可能会反驳说，老郭，你错了。雪是小冰晶。我将把这个问题留在文章的结尾来回答。

没有凝聚的原子核，水就不能冻结。

根据我们的经验，当湖水温度低于0度时，就会开始结冰。海水的冰点较低，因为盐度高。简而言之，它给我们的感觉是水很容易结冰。

事实上，如果蒸馏水完全静置并置于-20度的环境中，它将保持液态，即使温度降至-100度，它也将保持液态。这种水在物理学上被称为过冷水。然而，只要你把过冷的水从冰箱里拿出来，它就会立即结冰，因为突然的震动会导致过冷的水结冰。

奇妙的结冰过程

天空中的云是大量的小水滴。如果温度低于0度，过冷水滴将开始冻结。小水滴的冻结过程从表面开始，形成一个冰壳。然而，在冰壳形成之后，包裹在冰壳中的水滴的温度将立即变成0度，然后包裹在冰壳中的水滴的内部将慢慢冻结，直到它完全变成小冰晶。

在这个过程中会出现一个神奇的现象。在结冰过程中，直径约为1-20微米的小水滴将从冰壳表面不断喷出。如果我们有机会用显微镜观察这个过程，这些包裹在冰壳里的小水滴就像一个小喷壶。

这是由于水的另一种不同于其他液体的性质，即水在从液体变成固体的过程中体积膨胀。水滴中的水结冰并膨胀，打破了表面的薄层冰。在结冰之前，水会在内部压力的作用下冲出裂缝。

另一个值得特别注意的现象是，这些穿过冰壳的小水滴带正电，而带冰壳的原始水滴带负电。

这是因为正常水的一部分通常处于离子化状态，也就是说，它被分解成氢离子和氢氧根离子。当然，这是一个动态过程，它们会重组成水分子。

当冰壳破裂时，水分子会涌出。在冰壳裂缝的边缘，由于羟基的大惯性，它的运动速度不如氢离子快，而且它很容易被附近冰晶中的水分子抓住而无法出来。然而，质量小、运动速度高的氢离子会随水分子一起出来。

结果，冻结的小冰晶带负电，而冲出的水滴带正电。这也部分解释了为什么云是带电的。

雪花形状的形成

前面提到多云天气中小水滴冻结过程的原因是为了解释下面雪花形成的过程。在雪云中，由于温度的原因，有许多小冰晶。当这些小冰晶相互碰撞时，冰晶的表面会变热并有所融化，然后会粘在一起并再次冻结。这样重复多次，冰晶会增加。

然而，雪花形成的关键不是小冰晶之间碰撞的增加，而是通过凝结而不断增长。雪花是由表面破碎的不规则小冰晶形成的。粗糙部分比平坦部分积累更多的分子。刚刚喷出水滴的地方是湿的，有很多水分子。因此，凸起开始出现在平面上。然后在湿度较低的地区，可用的水分子变少了。光滑的边缘和六边形结构开始成形。这种交替是一个奇妙而复杂的过程。

冰晶是六边形的晶体，但是冰晶是水的晶体(H2O)，而晶体是二氧化硅的晶体(二氧化硅)。六边形系统具有四个结晶轴，其中三个辅助轴在基面上并且以60度的角度彼此相交，并且第四轴(主结晶轴)垂直于由三个辅助轴形成的基面。

当水蒸气凝结并结晶时，如果主晶轴比其他三个辅助晶轴发展得慢并且非常短，那么晶体形成片状。如果主晶轴发展得很快，延伸得很长，那么晶体就形成了柱状。雪花通常是六边形的，因为晶体沿主晶轴的生长速度比沿三个辅助晶轴的生长速度慢得多。

降雪的形成过程

混合云最有利于降雪。这种云由小冰晶和过冷水滴组成。当一团空气对冰晶饱和时，它对水滴不饱和。这时，云中的水蒸气凝结在冰晶的表面，而过冷的水滴正在蒸发。这时，出现了冰晶从过冷水滴中“吸附”水蒸气的现象。在这种情况下，冰晶生长非常快。

这些小冰晶在早期主要是通过碰撞增加的。随着碰撞量的增加，它们的运动速度会越来越慢，碰撞概率也会越来越低。在后期，小冰晶主要通过水蒸气的凝结而生长，这种凝结就是我们看到的各种雪花。

随着雪花的不断增加，它们的重量逐渐增加。当雪花增加到空气分子的热运动和粘滞力不足以克服雪花的重力时，它们就会落到地面，这就是降雪。

世界上有多少种雪花？

恐怕没人能说出这个数字，但世界上有许多雪花图案的收藏家。据说有些人一生都在拍摄各种图案的雪花，发现了近6000种不同的雪花，但在他死前，他认为这只是大自然落入他手中的雪花的一小部分。据说没有两片雪花的大小和形状完全相同。

冰和雪的区别

看这里，你可能已经找到了开头留下的问题的答案？冰和雪的区别在于变成固体的过程不同。冰是由液态水凝固形成的。因为水的表面非常光滑，所以冰也有光滑的表面。雪花被水蒸气凝结在小冰晶上，换句话说，水分子一个接一个地“生长”，这就是雪花有如此多形状的原因。

另一个不同之处在于，由于液态水的分子间距较小，所以由液态水凝结的冰中的水分子间距也相对较小，并且不容易压缩。雪花由于其特殊的结构，分子聚集时分子间距大，排斥力小，雪花之间也有许多空隙，所以雪很容易压缩。

结束语

水是地球上最丰富的液体，也是生命的重要组成部分。然而，水是最复杂的液体。即使在今天，随着科学的发展，我们的仪器可以区分单个分子和原子，并且可以打开原子核。然而，科学家们还没有说他们对水有完整的了解。

许多老师说物理很有趣，因为它更贴近生活。通过“活的物理，让生活变得物理”来学习物理是一种良好的思维习惯。然而，通过这个雪花形成的例子，你可以看到你清楚地知道什么是布朗运动，水是一个极性分子。你对水的基本特性了如指掌，但你真的知道雪花是如何形成的吗？

事实上，这也是许多学生在学习时的一个难题，“知道”和“能够使用”是两回事。我也希望这篇文章能在学习中引起许多中小伙伴的思考。你的物理学是“真正的知识”还是“谈论信息”？