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雪花是怎么形成的 二年級問題 雪花是怎么形成的

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雪花是怎么形成的 二年級問題 雪花是怎么形成的


2022年11月30日 ， 吉林省吉林市 ， 玻璃上結(jié)出的冰霜窗花 。視覺中國供圖（資料圖片）
仰望天空，不知是誰最先看見了漫天冰晶的美妙，冰晶在地球上億年的演變過程中又見證過多少時光秘密？水是生命之源，冰乃固態(tài)之水，人類在地球乃至其他星球上孜孜不倦地探索著水的各種形態(tài)，試著從大氣、云層、冰川、河流、雪花中求索這些自然的奧秘 。
關(guān)于水和冰的研究，幾乎貫穿了整個自然科學(xué)的發(fā)展史 。古希臘哲學(xué)家認(rèn)為，世界是由水、土、氣、火四元素組成，四元素說承認(rèn)了世界的物質(zhì)性，是早期人類認(rèn)識世界的一大步 。近代以來 ， 人們開始了對水和冰的科學(xué)研究：拉瓦錫通過燃燒實驗發(fā)現(xiàn)了水由氫元素和氧元素組成；化學(xué)家萊納斯·鮑林基于摩爾和溫梅爾提出的氫鍵說法，進(jìn)一步指出水分子之間有弱于范德瓦爾斯鍵的氫鍵相連，形成不同的氫鍵網(wǎng)絡(luò)；布拉格通過X射線衍射數(shù)據(jù)推導(dǎo)了冰的晶體結(jié)構(gòu)；伯納爾和福勒根據(jù)冰的晶體學(xué)模型進(jìn)一步給出水分子組裝成冰的“冰法則” ， 指出水分子組成四面體的基本單元后通過氫鍵組裝成晶體結(jié)構(gòu) 。隨著一個多世紀(jì)的晶體學(xué)的發(fā)展，迄今已有超過17種冰晶結(jié)構(gòu)和3種非晶冰結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)或報道 。
科學(xué)的發(fā)展并不是一團(tuán)和氣的，好在基于廣泛爭議求索得到的答案 ， 是禁得住歷史考驗的 。最近 ， 我們的科學(xué)家就解決掉了關(guān)于冰的一個爭議已久的謎團(tuán)：中國科學(xué)院物理研究所白雪冬課題組團(tuán)隊通過發(fā)展一種低損傷、高分辨的原位透射電鏡技術(shù)，成功實現(xiàn)了在水分子分辨水平觀測冰的形核生長過程 。具體是將電鏡樣品桿上的石墨烯作為冷盤 ， 經(jīng)過液氮降溫冷卻到零下170攝氏度，實時觀測鏡筒中殘存的水蒸氣在冷盤上的凝結(jié)過程，不僅捕捉到了水冷凝成冰的復(fù)雜過程，還發(fā)現(xiàn)了一種特殊的結(jié)構(gòu)——立方冰 。
前文提到科學(xué)界已發(fā)現(xiàn)了多種冰晶，它們按照被發(fā)現(xiàn)時間依次用拉丁數(shù)字排序 。其中冰Ⅰ就是我們常見的雪花冰晶 。雪花里的“花”字體現(xiàn)了我們對冰晶的美達(dá)成的共識 。如果你細(xì)心觀察，可以發(fā)現(xiàn)雪花大多具有明顯的六重對稱性，這是因為冰Ⅰ具有一種六角密堆積結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的晶體在生長的時候，六個棱面和上下兩個臺面是最穩(wěn)定的，因此大概率會長成六角形，這種冰也被稱為“六角冰” 。這種早在千年之前就古今共賞的六角冰晶，通過詩人們的落筆生花留下了數(shù)不盡的倩影 。但我們目到之處，所見皆是六角冰嗎？所有的冰云、冰川、雪中都是六角冰嗎？
【雪花是怎么形成的 二年級問題 雪花是怎么形成的】在1629年3月的一天，學(xué)者夏伊納在浮云遮日時抬頭一看，發(fā)現(xiàn)太陽上籠罩著一個28°左右的日暈環(huán) 。它很特殊，因為常見的日暈環(huán)是22°的 。之后大家稱這種特殊的日暈為夏伊納暈 。此后近四百年間，大約有6次關(guān)于這種不常見日暈的記載 。和水對光的折射產(chǎn)生彩虹一樣，冰晶本身作為一種晶體棱鏡，對光同樣也會產(chǎn)生折射 ， 在作為自然光光源的太陽周圍形成一個光圈 。光圈的角度與折射晶體的表面夾角相關(guān) 。因此冰層中常見的具有六棱柱形貌的六角冰，會給太陽或者月亮制作一個22°的光圈 。那28°的光圈是不是暗示我們冰層中存在著其他晶相的冰晶呢？1981年 ， 學(xué)者惠利根據(jù)晶體折射角度首次提出：一個金剛石結(jié)構(gòu)特有的八面體晶體對光折射形成的就是這個光圈 。也就是說，冰層中可能有金剛石結(jié)構(gòu)的冰晶，即自然界中有立方冰？

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