从冰晶层落下来的雪花通过暖层时就会化为雨滴,随后当它进入靠近地面的冷气层时,雨滴便会迅速冷却,成为过冷却雨滴(大气中有这样的物理特性:气温在零下几十摄氏度时,仍呈液态,被称为“过冷”水滴,如过冷雨滴、过冷雾滴)。形成雨凇的雾滴、水滴均较大,凝结的速度也相对较快。由于这些雨滴的直径很小,温度虽然降到0℃以下,但还未冻结便从空中落了下来。
当这些过冷雨滴附着在温度低于0℃的地面、树枝或电线等物体上时,便集聚起来依附在物体表面,并马上冻结,呈现出毛玻璃状透明或半透明的冰层。这样一来,树枝或电线看起来就好像一根一根粗冰棍,通常外表光滑或略有隆突。有时还边滴淌、边冻结,结成一条条长长的冰柱,就变成了我们所说的“雨凇”。如果雨凇是由非过冷却雨滴降到冷却得很厉害的地面或物体上及雨夹雪凝附和冻结而形成的时候,即由外表非晶体形成的冰层和晶体状结冰共同组成的,这种雨凇通常很薄且存在的时间较短。
雨凇最为多见的地方是山地和湖区。在我国,大部分地区的雨凇都出现在12月至第二年的3月。我国年平均雨凇日数分布特点是:南方多、北方少(但华南地区因冬天暖和,极少有接近0℃的低温,因此既无冰雹也无雨凇);潮湿地区多,干旱地区少(尤其以高山地区雨凇日数最多)。我国年平均雨凇日数在20~30天以上的观察站,差不多都是高山站。而平原地区绝大多数台站的年平均雨凇日数都不超过5天。
雨凇出现的时间规律大多在1月上旬至2月上中旬的一个多月内,开始日期的规律是:北方早、南方迟,山区早、平原迟;结束日则与之相反。对于地势较高的山区来说,雨凇开始较早,结束晚,雨凇期较长。例如,安徽南部的黄山光明顶,雨凇通常开始于11月上旬初,第二年4月上旬才会结束,长达5个月之久。据一些资料显示:江淮流域的雨凇天气,沿淮河的淮北地区2~3年发生一次,淮河以南7~8年发生一次。但是在山区,山谷和山顶这些差异较大的地区,有些谷地几乎没有雨凇,而山势较高处几乎年年都会发生。
4.雪花的形状
每逢下雪,便会出现无数美得令人惊叹的冰雪奇观!雪花的形状极多,如果把雪花放在放大镜下,可以发现每片雪花都是一幅极其精美的图案,许多艺术家都为之赞叹不已。大约在一百多年前,冰川学家们已经开始对雪进行深入研究,并对其形态作出了详细描述。
西方冰川学的鼻祖丁铎耳曾在他的古典冰川学着作里,这样描述他在罗扎峰上看到的雪花:“这些雪花……全是由小冰花组成的,每一朵小冰花都有6片花瓣,有些花瓣像山苏花一样放出美丽的小侧舌,有些是圆形的,有些又是箭形的,或是锯齿形的,有些是完整的,有些又呈格状,但都没有超出6瓣型的范围。”
早在公元前一百多年的西汉文帝时期,我国就有一位名叫韩婴的诗人,写了一本《韩诗外传》,他在书中明确指出:“凡草木花多五出,雪花独六出。”
雪花为什么会出现如此繁多的形状呢?它们是如何形成的?雪花以六角形为主,这是因为雪花属于六方晶系。在云中的小冰晶,主要有两种形状:六棱体状和六角形的薄片状。前者又长又细,称为柱晶,不过有时它的两端是尖的,与一根针颇为雷同,被称为针晶;而后者就如同从六棱铅笔上切下来的薄片,因此被称为片晶。
当周围的空气过饱和程度较低的时候,冰晶的各边便会均匀地缓慢增长。当增长到一定程度增长速度开始下降时,仍然保持着原来的状态,分别被称为柱状、针状和片状的雪晶。
如果周围的空气以高度过饱和的状态存在,冰晶在增长过程中,体积不仅会增大,而且形状也会发生变化,由片状变为星状是最为常见的一种。
事实上,在冰晶增长时,就会消耗掉冰晶周围的水汽。所以,离冰晶越近的地方,水汽相对要稀薄,过饱和程度较低。在冰晶周围,由于多余的水汽全都凝华在冰晶上,所以刚刚达到饱和。这样一来,冰晶周围的水汽密度要比离它远的地方小,且水汽会从冰晶周围向冰晶所处位置靠近。在这个过程中,水汽分子首先会碰到冰晶的各个角棱及凸出的地方,并停留于此凝华,而冰晶也在不断地增长。这样一来,冰晶的各个棱角和凸出部分就会首先迅速增长,随着时间的推移形成枝杈状。同理,会在各个枝杈和角棱处长出许多新的小枝杈。这时,空气在各个角棱和枝杈之间的凹陷处已不再饱和。在这里也会因升华将水汽输送到其他地方。这样的话,会使棱角和枝杈更加突出。时间长了,这就形成了所谓的星状雪花了。
对于星状雪花,无论从其形状或是大小来看,都应该是相同的。然而在现实生活中,这种雪花并不存在。因为要形成这种典型的星状雪花,只能在一个理想的、绝对平静的环境中(譬如在实验室内)才能形成。在大气中,它不能按照上面说的那样有规律地增长,因此就不能形成典型的形状。
这是为什么呢?因为当冰晶在下降过程中,大多数都处于旋转状态,每个枝杈遇到水汽的多少也会因此有所差异。其中那些接触水汽较多的枝杈就会增长得更大。这样一来,我们在生活中看到的雪花虽然表面雷同,其实质又有所差异。
除此之外,雪花在云层下降的时候,也会遇到可以形成各种各样形状的环境,当雪花降落到地上的时候,雪花的形状自然也就不尽相同。即使同一种星状雪花,也会出现3个枝杈、6个枝杈,甚至12个枝杈、18个枝杈,等等。
另外,在雪花下降过程中,纷纷扬扬的雪花也会相互黏附在一起,形成大片的雪片。雪花的黏附一般会在三种情况下出现:温度在0℃以下的时候,雪花在缓慢下降的过程中相互碰撞。由于碰撞而产生压力和热,于是其相撞部分因融化彼此就会合并,然后随即冻结在一起;在温度超过0℃的时候,雪花表面会有一层水膜,如果两个雪花相碰,借着水的表面张力就会很自然地合并在一起;如果雪花自身带有很多复杂的枝杈,那么两个雪花只能进行一些简单的攀连或是相挂合并在一起。
由于雪花的下降过程很长,在这个过程中,如果遇到更多的适宜条件雪花也会发生多次的攀连并合,落下来就变成大片雪花。如果雪下的很大的话,我们常常会听到有人这样形容:鹅毛般的大雪。事实上,这样的雪花是经过多次并合而形成的。
不过,雪花在互碰时也会发生碰碎的现象,于是就产生了一些畸形雪花。例如,我们在生活中,有时也会看到一些单个的“星枝”,就是在这种情况下形成的。
世界上,还有很多雪花图案爱好者,他们和集邮爱好者一样收集了各式各样的雪花照片。宾特莱是一个美国人,他付出一生的精力拍摄了近6000张雪花照片。
在前苏联,也有一位雪花照片的摄影爱好者,名叫西格尚。他的作品令人销魂,因此常常被工艺美术师用来作为结构图案的模型。
除此之外,有一位名叫中谷宇吉郎的日本人,他和他的同事们在日本北海道大学实验室的冷房间里,在日本北方雪原上的帐篷里,苦苦坚持20年,拍摄和研究了成千上万朵的雪花。
雪花的形状可谓千变万化,多姿多彩,但无论样式再怎么多,也是万变不离其宗的。
第二节踏雪寻梅——雪的奇妙功用
1.积雪的保温效应
积雪,如同铺盖在大地上的一条奇妙的大地毯。有了这样的毯子,可以使地面温度不致因冬季的严寒而降得太低。积雪的这种保温作用,是与它本身的特性有关的。
人们冬天穿棉袄很暖和,这是众所周知的。那么,穿棉袄为什么会暖和呢?
这是因为棉花具有很高的孔隙度,在其孔隙间充满了空气,而空气的导热性能很差,这样一来,就可以有效地阻止人体热量向外扩散。
同样的道理,覆盖在地球上的积雪很像棉花,雪花之间也具有很高的孔隙度,正是积雪孔隙里的这层空气,才使得地球表面的温度不至于降得很低。然而,积雪的保温效应是随着它的密度变化而变化的。就拿穿新棉袄和旧棉袄来说,前者会特别暖和,后者较之就明显差些,雪的情况也是一样的。由于新雪的密度低,钻进里面的空气相对要多,保温作用就强。旧雪则相反,保温作用相对要弱。
一般情况下,任何一个物体的本身都可以传递热量,这种能够传递热量的性能,被叫做物体的导热性。自然界中最为常见的几种物质中,空气的导热性能最差。所以,在物体里容纳越多的空气,导热性就越差。由于积雪里所能容纳空气量的变化幅度相对较大,因此积雪的导热系数变化幅度也较大。一般情况下,刚下的新雪孔隙较大,保温效应最好。春天的时候,雪融化了,积雪为水所浸渍,这时它的导热系数差不多和水相同,积雪的保温效应也趋于零。
2.雪与人体健康
冬天,银装素裹,大雪纷飞,白茫茫的一片。这时,人们往往只想到观赏玉树琼花,却忽视了雪的作用。实际上,雪对人体健康有很多益处。早在李时珍的《本草纲目》中就有记载,雪水具有解毒,治瘟疫的功效。在民间,还有人用雪水治疗烫伤、冻伤的偏方。
生活中,如果经常用雪水洗澡,不仅可以增强皮肤与身体的抵抗力,减少疾病的发生,还能促进血液循环,增强体质。另外,如果长期饮用洁净的雪水,还有益寿延年的功效,这都是常年住在深山老林中的老人可以长寿的“秘诀”之一。
那么,为什么雪会有如此奇特的功效呢?其实在雪水中所含的重水比普通水中重水的数量要少四分之一。而重水有着抑制生物存活时间的作用。对此,有人曾做过实验,如果一条鱼生活在含重水30%~50%的水中,过不了多久便会死掉。
形成雨雪最基本的一个条件便是大气中要存在“凝结核”,在大气中的尘埃、煤粒、矿物质等固体杂质就是空气中最理想的凝结核。如果空气中水汽、温度等各个要素达到一定条件时,水汽就会在这些条件下形成雪花。对于空气中的污染物质来说,雪花可以起到清洁空气的作用。所以,大雪过后,空气就会格外清新。
据测定,一般新雪的密度为0.05~0.10克/立方厘米。所以,地面积雪对声波的反射率极低,能吸收大量声波,可以有效地减少噪音。
3.贵如珍宝的腊雪
在我国,有一句广为流传的谚语“瑞雪兆丰年”。在北方地区,覆盖在大地上的一层厚而疏松的积雪,如同给小麦盖了一床御寒的棉被一样。
由于雪中含有氮素,极易被农作物吸收并利用,所以可以为农作物提供良好的生长“肥力”。另外,雪水温度较低,可以冻死地表层越冬的害虫,同样可以带给农业生产很大的益处。于是,就有了另一句农谚“冬天麦盖三层被,来年枕着馒头睡。”
雪对人类有着诸多好处,尤其有利于农作物的生长发育。由于雪的导热能力很差,土壤表面有“雪被”的保护,就可以减少土壤热量的外传,阻挡寒气的入侵。如此看来,有了雪的保护,庄稼就可以更好地过冬了。除此之外,积雪还可以为农作物提供一定的水分。
并且雪还有增强土壤肥力的功效。据测定,在每1升雪水里,大约有7.5克含氮化合物。当雪水渗入土壤时,与施一次氮肥的作用是非常相近的。所以,雪水不仅可以灌溉庄稼,还可以用来喂养家畜家禽。
不过,任何事物都是一分为二的,雪对人也有害处。三四月份的时候,正是仲春季节,如果突然遇到寒潮侵袭,下了大雪,就会造成冻寒。所以又有一句农谚是这样说的:“腊雪是宝,春雪是草。”