錢江晚報·小時新聞記者 鄭琳

降溫啦！進入11月下旬，杭州終于有冬天來了的感覺，那麼，距離觀賞斷橋殘雪也就不遠了。事實上，錢江晚報在前幾天就報道過，杭州臨安天目山在寒潮影響下已經飄雪了。而且前幾天，東北的大雪也讓我們這些南方人羨慕不已。

可同學們是否仔細觀察過飄下的雪花呢？有沒有發現它們的形狀特别規整、美麗？為什麼大部分雪花會呈現出六角星形？為什麼積雪看上去是白色的，但是捧起雪花仔細看卻發現是透明的呢？

這裡面涉及物理、化學、數學方面的知識，本期我們邀請杭州市建蘭中學科學老師曹健，在下雪前，為我們解讀雪花的知識。

400多年前，開普勒就在思考雪花為何是六角形

大家一定察覺到或者聽說過，大部分的雪花是有六個角的，并且每轉60°，形狀就與旋轉之前重合，這叫做六重對稱性。古人也注意到了這個特點，西漢人韓嬰的《韓詩外傳》中就有“凡草木花多五出，雪花獨六出”的記載。

那麼，同學們是否想過，為什麼雪花是六角對稱，而不是五角、七角、八角的呢？

其實，很久以前就有一位赫赫有名的科學家思考過同樣的問題，他就是開普勒。沒錯，就是那個提出行星運動三大定律的開普勒。

開普勒有一次走在布拉格著名的查理大橋上，一片雪花落在他的外套上，引起他的注意，完美的六角星形令他驚奇。于是他就開始思考，為什麼雪花是六角形的。

開普勒是個皇家天文學家，卻經常被拖欠工資。1611年，快過年了，工資還沒發下來，連給朋友送新年禮物的錢都沒有。他便把自己對雪花的思考，寫成一本書——《六角雪花》。他把這本書送給了朋友作為新年禮物，而這部著作也成為了雪花科學研究的開山之作，是不是很凡爾賽？

開普勒提出的想法是，雪花是由很小的球形的東西堆出來的，按六邊形堆積最節約空間。開普勒的這一猜想在2014年被數學家嚴格證明。

開普勒的想法是基本正确的，他隻是不清楚堆出雪花的小球到底是什麼，他提出是液态水的最小組成單元，其實就是現代科學中的水分子。

現在我們知道，雪花是冰晶，是水分子規整排列的結果。一個水分子由一個氧原子和兩個氫原子組成。三個原子不是一字排列的，而是彎的，有點像條腿。水逐漸結冰的過程就是水分子彼此結合在一起的過程，結合的方式是，一個水分子的氧結合另一個水分子的氫，這樣就連成了很多六邊形。越來越多的水分子加入這個六邊形，最後呈現出宏觀的六邊形結構。

雪花形成在雲裡，目前已知分類超120種

知道了雪花為什麼是六角的，讓我們再了解一下雪花是怎麼形成的。

它就是被凍住的雨嗎？并非如此。隻有在雨夾雪時，雪是被凍住的雨，這裡面的雪是沒有固定形狀的。下雪天時的雪花，有非常規整的外形，這種物質叫做晶體。雪花就是水的晶體。

雪花是在雲裡面就開始形成的。雲又是如何形成的呢？

同學們在地理課上學過，地面的江河湖海的水被太陽光加熱，一部分水變成水蒸氣，進入地球大氣。大氣中能容納的水蒸氣是有限度的，氣溫越低，大氣中能容納的水蒸氣就越少。

當氣溫變低時，大氣中水蒸氣過量，一部分水蒸氣就要變回液态水。水蒸氣是跑單的水分子，要把它們聚攏在一起變成液态水，需要先找到集合地點。在地面上，集合地點是花花草草、磚頭瓦塊等等，水蒸氣變成的水我們稱為露水。

在高空，水蒸氣的集合地點是空氣中漂浮的塵埃，水蒸氣變成無數小液滴，每個小液滴都包着一粒塵埃，這就成了我們能看得見的雲。

當氣溫繼續降低，小液滴會結冰，在雲裡飄來飄去，捕獲周圍的水蒸氣，逐漸顯出六棱柱的形狀。當冰繼續長大，棱上長得更快，逐漸長成六角星的雪花，整個過程約15分鐘。雪花長得越來越重，就開始掉落，離開雲之後，雪花不再長大，因為沒有水蒸氣供應了。雪花慢慢飄落，以不到2公裡/小時的速度抵達地面。

上面說雪花都是六角對稱的，常見的是六角星形狀，不過雪花的六角對稱有許多的花樣。

比如，非常少見的“鑽石塵”，是六棱柱狀的，它們非常小，大約隻有幾十分之一毫米，不能被肉眼直接看見。平常的雪花還在雲裡的時候，就是鑽石塵。比較常見的是星樹狀的雪花，這種雪花可以達到5毫米以上，不過非常薄，厚度隻有幾十微米。此外還有星盤狀的雪花，它們是沒有側枝的。星盤狀雪花看起來非常華麗，處處體現着六重對稱性。世上沒有兩片完全一樣的雪花，人們對雪花的認識也越來越細，到2013年，雪花分類已經有121類。

雪花看上去為何是白的

雪花和我們日常生活中熟悉的食鹽、白砂糖一樣，本質上都是無色透明的。但當它們聚成一小堆時，看上去卻是白色的。

這是為什麼呢？讓我們首先了解一下顔色形成的原理——顔色與物體對光的吸收和反射有關。可見光是由不同頻率的光組成的，我們的眼睛會把不同頻率的光識别為不同的顔色。例如，532納米波長的光，在我們看來是綠色的；440納米對應的是藍色。

當所有可見光同時進入眼睛，就成為“全色光”。這種顔色明亮幹淨，給人以純潔無瑕的感覺，這就是我們感知到的“白色”。與之對應的，如果沒有可見光進入眼睛，我們看到的就是“黑色”。

當透明的小顆粒聚集在一起，光線照射到它們表面時，不計其數的微粒使表面的光線發生反射，這些反射光彙聚在一起，就是“全色光”了，于是我們看到的就是白色。

同樣的道理，天上的小水滴、小冰晶聚在一起形成白雲，飄落的雪花聚在一起形成白雪。如果湊近看的話，我們很容易注意到，單獨的雪晶并不是白色的，而是透明的，就好像一小片透明透亮的玻璃。如果雪晶生長過程中結霜了，我們會看到白色的“砂雪”。

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