【微塵大千】以沙為核 凝水成雪 雪與霜的形成原理

撰文/王寶貫

與雪,是大氣中水分千變萬化的重頭戲之一,在台灣不容易見識到。因為台灣平地一年到頭氣候不是炎熱就是溫和,除極少數年分,氣溫不會降到攝氏零度以下。

因此,要讓大眾感受到大自然的「霜雪」(或者「冰」) 現象,並不是件容易的事。現在家家戶戶都有電冰箱,還可勉強「觀察」到一些結冰的實景,不過箱子中的冰和大自然的冰並不完全一樣。幸好台灣還有高山,真要體驗大自然的冰霜雪景,只有往高山走了。

然而高山一則交通不便,二則上高山的人多半只是短期旅遊,不見得會正好碰上下雪或結霜。由於一般民眾缺乏實地經驗,對於霜雪總是不甚了了,這方面的知識大都屬於「傳說」性質。

雖然老人家們對於二十四節氣的「霜降」、「大雪」、「小雪」等琅琅上口,實際感覺卻有如隔靴搔癢。真正說來,傳統的節氣名稱只適用在某些中緯度地區,但是套用在台灣就不對勁了。溫暖地區應當另有適切的節氣系統,才能真正反映出當地的氣候。

雪,的確是先在空中凝結,然後才降落到地面上來,所以「下雪」一詞和「下雨」一樣,用「下」當作動詞是準確的說法。一般人都以為結冰不外乎水到了攝氏零度結成冰塊就是了,但那只是在冰箱中看到的過程,在大氣中形成的冰可是不大一樣。

大氣中的冰是如何產生的?基本過程有兩種:一是水蒸氣直接轉換成冰,然後吸取更多水蒸氣以增長;二是由液態水滴先凍成冰珠,再由冰珠逐漸吸取水蒸氣增長成雪花。

大氣結冰關鍵:冰核

由水蒸氣直接轉換成冰的過程,原本稱為「昇華」(Sublimation),不過由於容易與由冰蒸發為水蒸氣的過程(也叫昇華)相混淆,所以近來越來越多人將前者稱為「凝華」(Deposition)。

凝華會憑空產生嗎?答案是不會。要不是有個「第三者」介入,水蒸氣要在空氣中直接轉換成冰,簡直比登天還難。這「第三者」叫做「冰核」(Ice nuclei)。有了冰核,水蒸氣就可以附著其上,長出冰晶(Ice crystal)。

凝華過程固然很難,由液態水轉化成冰也同樣不容易。大氣中的液態水常常有「過冷」的現象。所謂「過冷」,就是氣溫降到攝氏零度以下,水仍然還保持在液態不結成冰。這是研究雲的氣象學家搭乘飛機,直接到雲中收集小水滴(稱為「雲滴」)時發現的。

他們還發現,各種雲的過冷程度彼此間差異甚大:有的雲在攝氏零下幾度時,就有冰出現;有的雲卻可以過冷到接近攝氏零下四十度,還保持著液態!

原來一般所謂的「攝氏零度時水會結冰」,是用大量的水在容器中實驗出來的結果。你在冰箱中結的冰,都算是大量的──每格冰塊的體積多半在一立方公分以上。

但是雲滴的典型尺度是半徑十微米的圓球,其體積大約是十億分之一立方公分的四倍!雲滴這麼少量的水,其物理化學行為和冰箱中大量的水截然不同;再加上這小雲滴是懸浮在空氣中,並沒有固體容器(像冰箱的結冰盤)把它盛住,其結果就是它能撐到攝氏零下三、四十度還不結冰。實驗指出,在大氣中如果想要使得液態水在不太冷的溫度(比如說零下幾度)就結成冰的話,同樣需要冰核的幫忙才行。

然而冰核又具有什麼成分?氣象學家們收集天然的雪花,把其中的冰核分離出來,結果發現所謂冰核大都是一些普通的小沙粒子而已。實驗證明,在適當的溫度及水蒸氣含量下,冰晶的確可以從這些冰核上長出來(但溫度也都遠低於攝氏零度了)。

然而既然冰核是如此平常的東西,為何水分要在大氣中結冰竟如此困難?原來沙粒一般顆粒都很大,很難在空中長久停留。不要以為大風起時滿天飛沙,它們多半只停留在低層,風一停就紛紛掉回地面;真正能飛上高空(溫度才夠低到能使得水或水蒸氣成冰),而且能停在空中很久的,唯有一些很小的粒子,而這樣的小粒子並不多。

一些觀測指出,高空中的冰核往往「不遠千里而來」──北美洲上空的冰核頗多來自蒙古及中國西部的沙漠地帶,而歐洲上空的冰核不少來自非洲撒哈拉沙漠!這些沙漠地帶的極端氣候會產生沙塵暴,極高的風速可能把沙粒捲上高空,而讓一些小粒子旅行數千公里,到別的國家地區產生冰雪降水;這些冰核的發源地反而享受不到下雨的好處,也真是造化弄人了。

下雪和下雨一樣,有時多有時少。下小雪時,只像是天上的廚房不小心掉了一些麵粉,雪花大都很輕盈,在空中迎風東飄西蕩,不像雨滴以較直線式的軌跡落下。雪花看似不小,但一旦把它放在掌心,它卻只融解成頗小的水滴──所以雪實在是頗「乾」的水,它的「含水量」很少(您如用杯子裝滿一杯雪,融化後只會得到大概四分之一或五分之一杯的水)。這種天氣的雲一般不厚,甚至有些看似晴空的天氣,偶爾也會掉些小雪花來。

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【雪片形成原理】

落在地面的雪片(Snow flake)是一堆雪晶(Snow crystals)堆疊而成;單一的雪晶又稱為冰晶()。冰晶則是由高空中的水蒸氣分子附著在極小沙粒(冰核)上,不斷地受冷凝結成冰的晶體。

冰晶的基本、常見結構為對稱六角柱體,其實際形狀由大氣溫度決定,而結構則取決於濕度(水蒸氣的過飽和程度)。當氣溫愈低,冰晶的厚度呈現平板或柱體等樣式;而濕度愈高時,冰晶結構從六角柱狀變成針狀或星形樹突狀。

由於在冰晶落下過程中,所面臨的高空溫度與濕度會持續改變,每改變一次環境,冰晶就會在現有結構上向外長出新的晶體,有時是六角柱狀,有時是針狀,……,其外形因此不斷地生長變化,衍生成複雜奇特的形態,而且任何兩個冰晶的形態不會全雷同,令人對大自然的設計與創造力驚歎不已。

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雪天使 ↑ 雪降至地面,會累積厚度,人平躺其上,擺動雙手與雙腿,即可作出「雪天使」圖樣。約兩千人在美國北達科塔州雪地上,試圖打破最多「雪天使」的金氏世界紀錄。(攝影/AP/Will Kincaid)
圖樣奇特 ↑ 寒冬清晨中因室內外溫度與濕度均有顯著的差異,容易在玻璃窗外面凝結出各種圖樣奇特的霜,從室內觀看它,別有一番風味。(攝影/Vic Grimshaw)
霜針 ↑ 樹枝上無數針狀的霜針。空氣濕度稍高,往往由露結為霜。(攝影/Aaron McBride)

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