如果結晶緩慢發生，在平靜的空氣中和接近冰點的溫度下，雪花通常是六角形的。照片：泰德金斯曼/科學資源

雪花有無限的形狀和大小。許多似乎是二維的藝術作品。其他的看起來像一堆亂蓬蓬的磨損冰絲。大多數以個體的形式出現，盡管有些可能以多片團塊的形式落下。它們的共同點是它們的來源：通常在離地面至少一公裡（0.6 英裡）的地方盤旋的雲。

在冬天，那裡的空氣可能非常冷——而且越往上走就會越冷。要形成雪花，這些雲需要低于冰點。但也不會太冷。雪花是由雲中的水分形成的。如果空氣變得太冷，雲将無法容納足夠的水使任何東西沉澱出來。所以必須有一個平衡點。這就是為什麼大多數薄片會在零度或零度以下（0 攝氏度（32 華氏度））形成。雪可以在較冷的環境中形成，但越冷，可用于制作雪花的水分就越少。

事實上，雲的空氣中必須含有過飽和的水分才能形成薄片*。*這意味着空氣中的水分比通常情況下可能存在的要多。（在過飽和期間，相對濕度可以達到 101%。這意味着空氣中的水分比它應該能夠容納的水分多 1%。）

當空氣中的液态水過多時，雲會試圖擺脫多餘的水。一些多餘的東西會瞬間凍結成晶體，然後懶洋洋地蜿蜒到地上。

或者這就是簡單的答案。細節并不是那麼簡單。

還需要做一件事才能将雲中的水分變成薄片。科學家稱它為原子核。沒有東西可以凝結，水滴就不會結冰。即使氣溫遠低于冰點，水滴也會保持液态——至少在它們有可以附着的固體物體之前是這樣。

通常，這将是花粉粒、塵埃顆粒或其他一些空氣傳播的碎片。它可能是煙霧狀的氣溶膠或植物釋放的揮發性有機化合物。即使是汽車尾氣中噴出的微小煙灰顆粒或微小金屬碎片也可能成為雪花結晶的核心。

事實上，當空氣非常幹淨時，雲的水分很難找到核心。

在地面附近，任何物體都可以證明是合适的凍結區。這就是我們在樹枝、燈杆或車輛上形成霧凇的方式。與霜不同，當過冷的水滴結冰到低于冰點的表面時，霜冰就會形成。（相反，當水分以液體形式聚集在表面上，然後結冰時，就會形成霜凍。）

在雲層的高處，必須有一些微小的漂浮顆粒才能形成雪晶。當合适的條件出現時，過冷的水滴将鎖定在這些原子核上。他們一個一個地做，建造一個冰晶。

為了了解雪花錯綜複雜的形狀背後的原因，科學家們轉向化學——原子的作用。

水或 H₂O 是一個氧原子和兩個氫原子的組合。圖：Elena Hartley

一個水分子或 H 2 O 由兩個與氧原子結合的氫原子組成。這三人組合成“米老鼠”圖案。這是由于極性共價鍵。該術語是指三個原子，每個原子彼此共享電子，但不均勻。

氧的原子核更大，所以它有更大的拉力。它更強烈地拉扯它們共享的帶負電的電子。這使這些電子離得更近了一點。它還給氧氣一個相對的負電荷。就電荷而言，這兩個氫原子最終有點正。

單獨一個水分子的結構類似于一個寬 V。但是當多個 H2O 分子發現它們彼此靠近時，它們開始轉動以使它們的電荷配對。相反的費用吸引。因此，正氫的目标是負氧。傾向于産生的形狀：六邊形。

在液态水中，分子緊密地堆積在一起，不會形成六邊形。然而，在冰晶中，分子排列成六邊形。圖：Elena Hartley

這就是雪花有六個面的原因。它源于大多數冰晶的六邊形（六邊形）結構。六邊形組隊。它們與其他六邊形相連，向外生長。

雪花就這樣誕生了。

每個六邊形都包含很多空白空間。這就解釋了為什麼冰會漂浮在水面上。它的密度較小。液相中較熱的 H2O 分子能量太大，無法形成剛性六邊形。結果，相同數量的 H2O 分子作為固體冰占據的空間比作為液态水多 9%。

根據溫度，這些六邊形相互連接并以不同的方式生長。有時，他們會做針。其他的可能會形成樹枝狀的樹突。都是美麗的。并且都有自己獨特的晶體生長故事。

自 1885 年 Wilson Alwyn “Snowflake” Bentley 在他的相機上安裝顯微鏡并成為第一個拍攝它們的人以來，雪花結構一直是科學界的好奇心。

這些短暫的晶體仍然吸引着科學家。為了更好地捕捉它們的形狀和動作，鹽湖城猶他大學的蒂姆·加勒特最近建造了一個更好的雪花相機。他一直在用它來了解掉落的各種薄片的内部視圖。

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