前幾天，北京迎來了今年的第一場雪，飛雪漫舞、銀裝素裹，雪景帶給人無盡美的享受。其實，每一片雪花的美也很令人震撼。今天就讓我們一起去領略一下雪花的美吧~
（Photo by Aaron Burden on Unsplash）
我們的雪花欣賞之旅從最小
- 鑽石塵（Diamond-dust）
冬天特別冷的日子裡，在陽光或明亮的路燈照射下，周圍空氣中一閃一閃亮晶晶，好像碎鑽撒空中，因此被稱為“鑽石塵”。
2018年12月30日凌晨，武漢飄落鑽石塵。（圖源：根據長江日報微博影片製作。）
日本北海道鑽石塵。（圖源：根據央視影片製作。）
鑽石塵不是天上下鑽石，而是水蒸氣凝結成的冰晶。
鑽石塵是六稜柱狀的，非常小，幾十分之一毫米大，不能被肉眼直接看見，在亮光照射下，六個平面的反射光使我們注意到它們。
鑽石塵是最小的雪晶，呈六稜柱狀。（圖源：snowcrystals.com）
平常的雪花還在雲裡面最初的樣子就是鑽石塵。
- 星樹狀（Stellar Dendrites）
鑽石塵可遇不可求，但星樹狀雪晶輕易可見。下雪的時候，你仔細看看飄落在你衣袖（最好是黑色衣服）上的雪，一般就是星樹狀。術語雪晶在日常口語中叫做雪花，就因為此種雪晶。
雪花一詞來自星樹狀雪晶——最常見的雪晶。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
這種最常見的雪花，大的可以達5毫米以上，但非常薄，厚度只有幾十微米。
雪花側檢視，可見雪花非常薄。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
長得像蕨類植物的葉子那樣的雪晶看著很複雜，但形狀很規整，除了六個主枝很規整，各側枝也很規整，與主枝夾角都是60°，相鄰互相平行側枝互相平行，只是側枝間距是隨機的。
長得像蕨類植物的葉子的雪晶，有序和隨機共存。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
滑雪愛好者會比較喜歡長得像蕨類植物的葉子那樣的雪晶，因為這樣的雪落地之後，堆積比較蓬鬆，在上面滑雪更爽。
長得像蕨類植物的葉子那樣的雪晶，落地之後，堆積比較蓬鬆，和滑雪更配哦。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
- 星盤狀（Stellar Plates）
沒有側枝的雪花，我們稱為星盤狀雪花。星盤狀雪花一般比星樹狀雪花小。星盤狀雪花最明顯的特點在於處處體現著六重對稱性。
星盤狀雪花。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
有時候，星盤狀雪花只有“主盤”，並明顯分成了六部分，像切好的六邊形披薩。
只有主盤的星盤狀雪花。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
- 柱狀和針狀
除了雪花專業人士，普通人一般意識不到柱狀和針狀雪花的存在，其實它們並不罕見。一個原因是，它們太小了。下次下雪的時候，你可以帶個放大鏡，仔細看看飄落在你衣袖上的雪花，看看能否發現它們的蹤影。不過，要看到它們的細節，還得有顯微鏡才行。
柱狀和針狀雪花為細長的六角柱形，樣子像鉛筆，只是端面不是平的，呈現為渾圓形。比較粗的柱狀雪花的兩端會有圓錐形的孔洞。
柱狀雪花的兩端一般會有圓錐形的孔洞。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
柱狀雪花長大過程中，會逐漸在兩端一分為二，變成針狀雪花。
柱狀雪花在兩端一分為二，變成針狀雪花。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
多個柱狀雪花可以從同一個地方生長出來，看起來像子彈花。
多個柱狀雪花可以從同一個地方生長出來，看起來像子彈花。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
- 冠柱形（Capped Columns）
冠柱形雪花也是我們不熟悉的雪花，但並非稀有，你要是刻意去找，還是比較容易找到。冠柱形雪花有各種大小和形狀，觀察起來，樂趣無窮。
典型的冠柱形雪花。紅色為拍照時打的光。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
冠柱形雪花的側檢視（左）和分別從“車輪”看過去的俯檢視（中、右）（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
- 雙盤形（Double Plates）
冠柱形雪花兩“車輪”中間的柱如果很短，這樣的雪花叫做雙盤形雪花。
乍看上去看像星盤形雪花，如果仔細看，會看到還有一個盤，與正對我們的盤錯開約三分之一。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
雙盤形雪花側檢視。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
雙盤形雪花的兩個盤大小不一樣，因為它們在生長過程中要競爭水蒸氣，結果就是先開始長的盤佔得先機，最後長得較大。
- 三角形
三角形雪花其實與六角盤形雪花是一類，只不過雪花在長大過程中，三個面比另外三個面長得快，最後呈現為三個角被截掉的三角形雪花。
三角形雪花。（圖源：snowcrystals.com）
三角形雪花形成與空氣流動密切相關。
- 十二角星形
十二角星形雪花是兩個平常的六角星形雪花碰撞之後結合在一起形成。
十二角星形雪花。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
兩個六角星形雪花的隨機碰撞怎麼能形成這麼規整的十二角星形雪花？
這可能是選擇性偏差的結果。人們只會注意好看的十二角星形雪花，不好看的直接被忽視了。兩個六角星形雪花彼此錯開30°碰在一起，會形成好看的十二角星形雪花，如果碰撞不這麼巧，形成的就是一坨冰而已，不能吸引人多看一眼。
- 結淞雪花（Rimed Snowflakes）
你知道美麗的霧凇吧，那是液滴結的冰。不僅僅是樹上能結霧凇，雪上也可以。雲中長出的雪晶與水滴相撞，水滴在雪上結成冰，即凇，這樣的雪花就是結凇雪花。
雪花長成之後再結凇，依然保持美麗。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
結凇雪花如果以凇為主，被稱為“霰”（Graupel）。霰沒有多少美感可言。
雪花結上厚厚的凇，被稱為“霰”（Graupel），外觀不讓人覺得美麗。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
看了這麼多雪花，你有沒有想過——
什麼是雪花？
雪花就是被凍住的雨嗎？非也。雨夾雪天氣中的雪是被凍住的雨，與下雪天下的雪是不一樣的，差別在於前者沒有規整的外形，而後者有規整的外形。
冬季四種降水：雪、雨夾雪、凍雨、雨。（圖源：weather.gov）
規整的外形的物質稱為晶體，雪花就是水的晶體。雪花外形規整是因為內部水分子排列得整齊。液態的水和雨夾雪中的雪沒有規整外形，因為內部水分子就是亂七八糟的。
雪花是怎麼形成的？
雪花是在雲裡面開始形成的。
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態水。水蒸氣是跑單的水分子，要把它們聚攏在一起變成液態水，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，每個小液滴都包著一粒塵埃，這就成了我們能看得見的雲。
從水蒸氣到雲。（圖源：NASA）
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，逐漸顯出六稜柱的形狀，這就是前文所說的鑽石塵。冰繼續長大，但稜上長得更快，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2km/h的速度抵達地球。
雪花有多少種？
不好說，目前還沒有一個絕對的分類方法，以後也不大可能會有。
世界上沒有兩片完全一樣的雪花，隨著時間的推移，人們對雪花辨認得越來越細緻，分類表格也越來越龐大。1930年代，雪花分為21類，到1950年代，增長到42類，到1980年代，膨脹到80類，2013年，雪花分類增長到121類。
雪花就這121種類型嗎？絕不，看你如何定義“型別”了。
雪花外形各異，有無數種可能，但又不是隨意長出來的。雪花不是機器生產出來的，也沒有生命，沒有遺傳密碼。雪花都是沒有固定形狀的水蒸氣變成的。雪花的形狀是由晶體生長的科學規律決定的，反過來，從雪花形狀也可以反推它在形成過程中經歷了什麼。雪花的背後是物理學、化學和數學共同創造的神奇。
不對稱雪花，說明雪花在形成過程中各部分所處的環境不一樣。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
十二分枝的雪花是兩個雪花粘合在一起形成的。（圖源：snowcrystals.com）
根據雪花形貌與形成環境（溫度、溼度）之間的關係，科學家總結出瞭如下的圖。這個圖依然在繼續完善過程中。
雪花形貌與形成環境（溫度、溼度）之間的關係。（圖源：中國國家地理）
要鑑別121類雪花略顯得複雜，對於賞雪活動而言，以下35種雪花型別的分類表非常便於使用。
35種雪花型別。（圖源：snowcrystals.com）
雪花形狀為什麼有明顯的六重對稱性？
大多數種類的雪花關於垂直自身的中心軸對稱，每轉60°，形狀與轉之前重合，這叫做六重對稱性。
最常見的雪花形狀是六角星，這個圖形是許多冬季用品和裝飾上的經典圖示，就連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。
最常見的雪花形狀是六角星。（圖源：knowablemagazine.org）
雪花的六個主幹上還可以長出更多側枝，側枝非常非常多的雪花看起來就像蕨類植物的葉子。
側枝眾多，雪花像蕨類植物的葉子。（圖源：snowcrystals.com）
你可能發現，裝飾圖示還經常會出現四角、五角、七角、八角對稱性的雪花，這樣的雪花在自然界中其實是不可能出現的。為什麼呢？
第一個試圖在科學上解釋雪花六角對稱性的是開普勒，就是那個提出行星運動三大定律的開普勒。開普勒是神聖羅馬帝國皇帝魯道夫二世的皇家天文學家，但經常被拖欠工資。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，Strena Seu deNive Sexangula (The Six-Cornered Snowflake《六角雪花》)，作為新年禮物送給朋友，這部著作也成了雪花科學研究的開山之作。
開普勒的著作《六角雪花》，2010年版。（圖源：Amazon）
開普勒猜想，雪花是由很小的球形東西堆出來的，並且按六邊形堆積。這是開普勒原著中的插圖。（圖源：維基百科）
開普勒有一次走在布拉格著名的查理大橋上，一片雪花落在了他的外套上，吸引到了他的注意，完美的六角星形令他驚奇。開普勒開始猜想，雪花為什麼不是五角的，不是七角的，偏偏是六角的？開普勒提出的想法是，雪花是由很小的球形東西堆出來的，按六邊形堆積堆得最密，節約空間。開普勒的這一猜想終於在2014年被數學家嚴格證明。
查理大橋和布拉格老城。（圖源：維基百科）
開普勒的想法是基本正確的，他只是不清楚堆出雪花的小球到底是什麼，他提出是液態水的最小組成單元，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，像一條狗腿。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，結合方式叫做氫鍵，連成很多很多六邊形。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。
冰中的水分子排列成六邊形，六邊形頂點是氧原子，邊是氫鍵。（圖源：i.kinja-img.com）
常見的雪花為什麼沒有長成六角盤形而大多是六角星形？
空氣中的水分子與冰晶碰撞，之後結合到冰上，粗糙的地方更容易結合，光滑的地方不易結合，因此，六邊形的頂點處長得更快，於是，逐漸長出六個角。
雪晶生長示意圖。雪晶的頂點處比邊處生長得更快，因此，雪晶逐漸長出六個角。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
真實的雪晶生長過程動圖。（圖源：根據snowcrystal.com網站上的影片製作。）
不過，你要是覺得只有星星形狀的雪花，那就低估了大自然的造化神奇。想必你剛才也看到，世界上還有一些令人覺得奇特的雪花，如冠柱形雪花（像一架車輪）、柱形雪花、針形雪花。我們覺得奇特，不是說這樣的雪花罕見，而是我們平時沒留心注意。
雪花有著規整的外形，但神奇的是，世界上沒有兩片完全一樣的雪花。這是因為雪花的形貌還和具體的形成過程密切相關，每片雪花受到周圍的空氣的擾動都不一樣，因此，每片雪花的形貌也是獨一無二的。
不過，雪花的獨特性維持時間很短，飄落短短几分鐘後，就會失去自己獨特的外形。要給雪花拍照，就要抓拍剛飄落下來的新鮮雪花。
雪花飄落之後在短短几分鐘之內就會失去自己獨特的外形。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
如何拍雪花？
拍雪花和拍其他自然美景的要求差不多，要求有一雙發現美的眼睛，一套合適的裝備，對優美照片的強烈渴望。拍雪花有特別的挑戰，因為雪花又小又脆弱。
拍雪花，裝備不是最重要的，智慧手機配上夾式微距鏡頭即可動手，最重要的是眼光和運氣。
最簡易的裝備，一個藍底泡沫芯板作為集雪板，一個小刷子（比如畫筆），一個載玻片，一臺相機。
集雪板。（圖源：Snowflakes2008）
集雪板上的雪。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
下雪天氣，在室外支好集雪板，在集雪板上找美妙的雪花，用小刷子轉移至載玻片上，將載玻片放至鏡頭下，來回移動載玻片，在相機取景器裡找到心儀的景象，按下快門，拍出照片。這個過程要快，動作慢了，雪花就化了。
給雪花拍照的一大挑戰是，雪花透明無色。最直接的方法是在正面或側面給雪花打光。如果雪花放大的倍數比較大，這樣拍出的照片可能會不太美觀，雪花邊緣散射的光多，顯得明亮，而雪花中心平面區域散射的光少，顯得黑暗。
改進的打光方式是，在雪花後面打光。這種方式也有明顯的缺點，背景光太亮，當然，你可以在圖片處理軟體裡把背景光去掉。
更好的打光方式是，在雪花後面斜著打光，照相機捕捉的是透射光，透射光偏離了入射光的方向，照片是黑暗的背景上清晰的雪花照片，並且使雪花的線條更明顯，內部結構更顯清晰。打光的顏色和角度不同，可得到的不同視覺感受的圖片。
給雪花拍照。左圖：在雪花後面斜著打光；右圖：雪花後面正向打光。（圖源：The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry 2015）
心動了麼？如果遇上下雪天，一定記得穿上雪地靴，帶上放大鏡，近距離觀察飄落的雪花。你還可以分辨一下雪花的型別，感受一下雪花的生長過程，再給雪花拍個照，要是拍到精美的雪花照片，記得傳送訊息/私信分享給我們呀〜
參考資料
[1] How snowflakes grow，https://www.knowablemagazine.org/article/physical-world/2017/how-snowflakes-grow
[2] Physical Dynamics ofIce Crystal Growth，https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070616-124135
[3] The Snowflake: Winter's Frozen Artistry, by Kenneth Libbrecht (Author), Rachel Wing (Author)
[4] https://www.keplersdiscovery.com/SixCornered.html
來源：賽先生
編輯：雲開葉落
