玩雪

（文章转载自微信公众号“中国科普博览”）

看雪、赏雪、堆雪人、打雪仗、滑雪，说到对雪的喜爱，南北方难得达成了一致。但说到“玩”雪，恐怕没有人敢说自己比他们更专业。

图1 中国科学院新疆生态与地理研究所积雪研究团队对赛里木湖湖面雪晶体样本拍照（摄影: 范书财 2019年1月17日）

他们，就是中国科学院新疆生态与地理研究所积雪研究团队。说到雪，大家有哪些认识？白色、凉的、温度上升会融化？

其实雪不单单只有这些属性，当你靠近去观察雪，就会发现一个神奇的雪世界。现在就让我们跟随着天山积雪研究团队，一起走入雪的奇妙世界吧。

在天寒地冻，风刀霜剑的冬天，万物沉寂。雪从天而降，开始了她绚丽多彩的一生。

雪晶体的前世

雪是上天派到大地的信使，她会带给我们许多天空中的信息。

当水汽压超过水汽饱和点，大气中水汽过饱和时，形成云。当云中温度低于0℃时，出现过冷的水气和合适的气溶胶，以饱和的空气团中的尘埃粒子为核心，通过吸引过冷的水滴，然后以晶体的形式凝聚，雪雏形冰晶体便在云中形成。

图2 从天而降的雪（摄影: 范书财2019年1月19日拍摄于新疆昭苏县）

水汽不断地凝聚在雪雏形冰晶体上，当冰晶达到了足够的尺寸，并可能与其他冰晶合并，到达一定重量，然后以雪的形式飘落下来（图2）。

当雪花在不同的温度和湿度的大气中移动时，会出现复杂的形状。

它们主要可以分为八大类和至少80个个体变种。冰晶的主要组成形状是针状、柱状、板状等，相互之间可以出现多种组合（图3）。所以我们可以根据雪花的形状来判断局域的气候和气候变化。

图3 绚丽多彩的雪花

看起来白茫茫的雪，其实是由无色冰构成的。而雪花对光的漫反射是雪呈白色的主要原因。

雪晶体的少年故事

雪花从天而降，在飘落的过程中会磨掉雪花的枝角。同时雪花之间相互挤压，会破碎成细小的冰晶，最终成为直径小于0.5mm的圆形颗粒，我们称为圆化雪晶体。它是雪晶体在地面上发育生长的起始状态。

雪是一种低的热传导体，较低的热传导性使积雪可以被认为是一种绝热体。

随着雪的积累，积雪厚度增加。雪的低热传导性导致雪表面和靠近大地的雪层温度明显不同，从而使积雪内部温度呈现明显的梯度变化。

午间太阳光的热辐射和空气温度导致表面雪层的温度高于底部雪层。而当夜晚到来，温度下降，表面雪层的温度低于底部雪层的温度时，温度梯度方向改变。温度梯度驱动雪中的自由水汽运移，水汽时而向上运动，时而向下游动。在游移的过程中，会粘附着在圆化雪晶体上，使圆化雪晶体变化成形状各异的、直径范围在1-3mm的多面体雪晶体。相邻的多面体雪晶体也会被游离的水汽烧结在一起。雪中的烧结犹如电焊把铁板焊接在一起一样，牢固的把雪晶体连接在一起（图4）。

图4 单一的多面体雪晶体和多个晶体的烧结 （摄影: 范书财）

雪晶体的中年盛况

随着不断的降雪，处于雪晶体青春期的多面体雪晶体被新降的雪覆盖，积雪厚度不断增加。

此时最底层的雪层温度会一直高于积雪表层温度，整个雪层内的温度环境不再有剧烈的变化，温度梯度变大并且方向呈现稳定态势，水汽运移加强并且方向也随之统一。

水汽不断粘附在多面体雪晶体上，晶体之间相互的烧结作用不断加强。雪晶体颗粒逐渐变大，并且形成有迷宫状、玛瑙状、金字塔状、钻石状、金字塔状、手枪状等各种规则形状的雪晶体，晶体直径一般为3-10mm（图5）。个体较大的雪晶体被称为深霜。深霜具有明显的菱角，相互独立，相互之间的空隙最大。由于其呈现散碎形态，我们也称为糖雪，犹如白糖一样零散。深霜相互之间的结合差，空隙较大。这就是为什么有时候走在雪地上，会一脚踩空的原因。

图5 各种深霜形态 （摄影: 范书财）

居于中下层的雪晶体在高的温度梯度变质作用下，发生明显的烧结现象，形成大块烧结在一起的深霜链（图6）。

图6 烧结的深霜链 （摄影: 范书财）

最低层的深霜承载着上层全部雪的压力，在压力的作用下，烧结在一起的深霜发生凝聚，形成硬度较大，密实的凝聚态结构（图7）。

图7 凝聚深霜形态 （摄影: 范书财）

深霜发育的同一时期，位于表层的雪晶体也呈现增长态势。它接触大气中的水蒸气，当水蒸气达到冰点时，会导致从水蒸气（气体）到冰（固体）的相态变化相并粘附在雪晶体上。当相对湿度高于90%且温度低于8°C时，就会形成蕨类状的冰结构，我们称为表霜（图8，9）。

图8 表霜的蕨类状结构 （摄影: 范书财）

图9 雪面上长出来的表霜（摄影: 范书财2019年2月28日拍摄于昭苏）

表霜一般逆着风向生长，因为迎风来的空气比背风来的空气湿度更高。但风不能太强，否则会损坏脆弱的结冰结构（图10）。

图10 迎风而张表霜（摄影: 范书财2019年3月2日拍摄于新疆和静县）

表霜晶体的大小在很大程度上取决于温度、水蒸气量以及它们在不受干扰的情况下生长的时间。中国科学院新疆生态与地理研究所的积雪研究团队观测发现，新疆巴音布鲁克草原的表霜能形成高6cm，直径8cm的绒花一样结构（图11，12）。

图11 雪绒花（摄影: 范书财2018年2月24日拍摄于巴音布鲁克草原）

图12 雪绒花的量度（摄影: 范书财2019年3月3日拍摄于巴音布鲁克草原）

表霜晶体的形状取决于它们积聚的时间和水蒸气（湿度）的浓度。霜晶可以是透明的或白色的。当大量霜晶向四面八方散射光时，霜晶的涂层会呈现白色（图13）。

图13 表霜的形态（摄影: 范书财）

积雪是由数次降雪积累形成的，由于沉降时间不同，雪晶体的发育程度不同，雪晶体的颗粒和大小也就形成了明显的差异，因此积雪形成了轮廓明显的层理结构。

一个理想化的自然雪晶体从初始到深霜的发育变质过程为：新雪沉降-雪晶体破碎和圆化-多面体雪晶体-深霜。理论上，从上到下的雪层为圆化雪晶体，多面雪晶体，深霜。

图14 天山山区积雪剖面和各雪晶体的形态（摄影: 范书财2019年1月10日拍摄于新疆奇台县境内山区）

上图是隆冬期天山山区的积雪剖面的雪晶体层理（图14），自上到下为圆化雪晶体、多面体雪晶体、多面雪晶体链、空杯深霜、深霜链、柱状深霜、凝聚深霜。

雪晶体的暮年晚景

春天来临，大地回暖，万物复苏时，积雪却进入了暮年。

随着气温升高，整体雪层的温度也升至0度，雪层内的含水率明显增加，积雪的深度也迅速下降。在雪层温度呈现0度时，雪晶体开始了等温变质，整个雪层的雪晶体菱角被圆化，并经历反复的冻融，雪晶体胶结在一起，体积也不断增加，形成融态雪晶体（图15）。

图15 融态雪晶体（摄影: 范书财）

随着温度不断升高，融态雪晶体逐步消亡，最后逐渐变成液态水。

雪晶体的后世传说

春天，白天温度较高，一部分雪升华为气态进入天空。另一部分雪融化成液态水，汇入江河成为重要的淡水资源或渗入地下滋润万物。当夜晚来临时，温度下降，没有上天入地的雪水重新被冻结，镶嵌入泥土里，反反复复（图16）。当雪水全部消失时，她会在大地上留下深深的刻痕，以此来倾诉她的不舍与眷恋。

轻轻的我走了，正如我轻轻的来。

图16 雪遗留在大地上的刻痕（摄影: 范书财）

吾从天上来，遁入地下归

苦寒之日现，岁岁来望君

问君知吾否，知音难寻觅

瑰丽一生行，孤芳以自赏

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