28日夜間至30日，中國北方將出現(xiàn)一輪大范圍雨雪天氣。華北多個城市或?qū)⒂瓉斫穸跹?。北京今或迎首個“準(zhǔn)點”初雪，預(yù)計今天（29日）傍晚前后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(dá)成了一致。但說到“玩”雪，恐怕沒有人敢說自己比他們更專業(yè)。
圖1：中國科學(xué)院新疆生態(tài)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(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所積雪研究團隊。
說到雪，大家有哪些認(rèn)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(dāng)你靠近去觀察雪，就會發(fā)現(xiàn)一個神奇的雪世界?，F(xiàn)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(fēng)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。
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(dāng)水汽壓超過水汽飽和點，大氣中水汽過飽和時，形成云。當(dāng)云中溫度低于0℃時，出現(xiàn)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，然后以晶體的形式凝聚，雪雛形冰晶體便在云中形成。
圖2 從天而降的雪（攝影: 范書財2019年1月19日拍攝于新疆昭蘇縣）
水汽不斷地凝聚在雪雛形冰晶體上，當(dāng)冰晶達(dá)到了足夠的尺寸，并可能與其他冰晶合并，到達(dá)一定重量，然后以雪的形式飄落下來（圖2）。
當(dāng)雪花在不同的溫度和濕度的大氣中移動時，會出現(xiàn)復(fù)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(xiàn)多種組合，從而復(fù)合成形狀各異的雪花（圖3）。所以我們可以根據(jù)雪花的形狀來判斷局域的氣候和氣候變化。
圖3 絢麗多彩的雪花 (攝影: 范書財)
看起來白茫茫的雪，其實是由無色冰晶體構(gòu)成的。而雪花對光的漫反射是雪呈現(xiàn)白色的主要原因。
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(xì)小的冰晶，最終成為直徑小于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(fā)育生長的起始狀態(tài)。
雪是一種低的熱傳導(dǎo)體，較低的熱傳導(dǎo)性使積雪可以被認(rèn)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(dǎo)性導(dǎo)致雪表面和靠近大地的雪層溫度明顯不同，從而使積雪內(nèi)部溫度呈現(xiàn)明顯的梯度變化。
午間太陽光的熱輻射和空氣溫度導(dǎo)致表面雪層的溫度高于底部雪層，而當(dāng)夜晚到來，溫度下降，表面雪層的溫度低于底部雪層的溫度。晝夜溫度的變化導(dǎo)致積雪溫度梯度方向改變。溫度梯度驅(qū)動雪中的自由水汽運移，水汽時而向上運動，時而向下游動。在游移的過程中，會粘附著在圓化雪晶體上，使圓化雪晶體變化成形狀各異的、直徑范圍在1-3mm的多面體雪晶體。相鄰的多面體雪晶體也會被游離的水汽燒結(jié)在一起。雪中的燒結(jié)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（圖4）。
圖4 單一的多面體雪晶體和多個晶體的燒結(jié) （攝影: 范書財）
雪晶體的中年盛況
隨著不斷的降雪，處于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于積雪表層溫度，整個雪層內(nèi)的溫度環(huán)境不再有劇烈的變化，溫度梯度變大并且方向呈現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)勢，水汽運移加強并且方向也隨之統(tǒng)一。
水汽不斷粘附在多面體雪晶體上，晶體之間相互的燒結(jié)作用不斷加強。雪晶體顆粒逐漸變大，并且形成有迷宮狀、瑪瑙狀、金字塔狀、鉆石狀、手槍狀等各種規(guī)則形狀的雪晶體，晶體直徑一般為3-10mm（圖5）。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(jié)合差，空隙較大，其呈現(xiàn)散碎形態(tài)，我們也稱其為糖雪，猶如白糖一樣零散。這就是為什么有時候走在雪地上，會一腳踩空的原因。
圖5 各種深霜形態(tài) （攝影: 范書財）
居于中下層的雪晶體在高的溫度梯度作用下，發(fā)生明顯的燒結(jié)現(xiàn)象，形成燒結(jié)在一起的深霜鏈（圖6）。
圖6 燒結(jié)的深霜鏈 （攝影: 范書財）
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(jié)在一起的深霜發(fā)生凝聚，形成硬度較大，密實的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)（圖7）。
圖7 凝聚深霜形態(tài) （攝影: 范書財）
深霜發(fā)育的同一時期，位于表層的雪晶體也呈現(xiàn)生長態(tài)勢。它接觸大氣中的水蒸氣，當(dāng)水蒸氣達(dá)到冰點時，會導(dǎo)致從水蒸氣（氣體）到冰（固體）的相態(tài)變化并粘附在雪晶體上。當(dāng)相對濕度高于90%且溫度低于?8°C時，就會形成蕨類狀的冰結(jié)構(gòu)，我們稱為表霜（圖8，9）。
圖8 表霜的蕨類狀結(jié)構(gòu) （攝影: 范書財）
圖9 雪面上長出來的表霜（攝影: 范書財 2019年2月28日拍攝于昭蘇）
表霜一般逆著風(fēng)向生長，因為迎風(fēng)來的空氣比背風(fēng)來的空氣濕度更高。但風(fēng)不能太強，否則會損壞脆弱的蕨類狀冰結(jié)構(gòu)（圖10）。
圖10 迎風(fēng)而長的表霜（攝影: 范書財2019年3月2日拍攝于新疆和靜縣）
表霜晶體的大小在很大程度上取決于溫度、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(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所的積雪研究團隊觀測發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)（圖11，12）。
圖11雪絨花（攝影: 郝建盛2018年2月24日拍攝于巴音布魯克草原）
圖12 雪絨花的量度（攝影: 范書財2019年3月3日拍攝于巴音布魯克草原）
表霜晶體的形狀取決于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(dāng)霜晶向四面八方散射光時，霜晶的涂層會呈現(xiàn)白色（圖13）。
圖13 表霜的形態(tài)（攝影: 范書財）
積雪是由數(shù)次降雪積累形成的，由于沉降時間不同，雪晶體的發(fā)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(jié)構(gòu)。
一個理想化的自然雪晶體從初始到深霜的發(fā)育變質(zhì)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。
圖14 天山山區(qū)積雪剖面和各雪晶體的形態(tài)（（攝影: 范書財2019年1月10日拍攝于新疆奇臺縣境內(nèi)山區(qū)）
圖14是隆冬期天山山區(qū)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。
雪晶體的暮年晚景
春天來臨，大地回暖，萬物復(fù)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(nèi)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(xiàn)0度時，雪晶體開始了等溫變質(zhì)，整個雪層的雪晶體菱角被圓化，并經(jīng)歷反復(fù)的凍融，雪晶體膠結(jié)在一起，體積也不斷增加，形成融態(tài)雪晶體（圖15）。
圖 15 融態(tài)雪晶體（攝影: 范書財）
隨著溫度不斷升高，融態(tài)雪晶體逐步消亡，最后逐漸變成液態(tài)水。
雪晶體的后世傳說
春天，白天溫度較高，一部分雪升華為氣態(tài)進入天空。另一部分雪融化成液態(tài)水，匯入江河成為重要的淡水資源或滲入地下滋潤萬物。當(dāng)夜晚來臨時，溫度下降，沒有上天入地的雪水重新被凍結(jié)，鑲嵌入泥土里，反反復(fù)復(fù)（圖16）。當(dāng)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。
圖 16雪遺留在大地上的刻痕（攝影: 范書財）
吾從天上來，遁入地下歸。
苦寒之日現(xiàn)，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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