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冰晶

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此條目頁的主題是一種晶體。關於亦被稱為「冰晶」的氣象現象，請見「鑽石塵」。
自然界中冰晶常以具有高度對稱性的雪花的形式出現。

冰晶（英語：ice crystal）是冰的宏觀晶體形式。冰晶在光學及電學等物理性質方面有各向異性，並且具有較高的介電常數。[1]冰晶常呈六角柱狀、六角板狀、枝狀、針狀等形狀，由於大氣中的冰晶一般由水蒸氣凝華產生，因此具有非常對稱的外型。在不同的環境溫度和濕度中，可以產生不同的對稱外形。當環境因素改變時，冰晶的形成方式也可能會改變，因此最終形成的晶體可能是多種樣式混合而成的，例如冠柱晶。空中的冰晶下落時傾向以其側棱平行於地平線，因此能以增強的差動反射率在偏振天氣雷達信號（polarimetric weather radar）中被發現。[注 1]冰晶帶電後，下落的方向便不再平行於地平線。帶電的冰晶也很較容易被偏振天氣雷達檢測出來。

結構

冰晶結構示意圖一
（垂直於光軸觀測）
冰晶結構示意圖二[2]
（平行於光軸觀測）

宏觀的冰是多晶的，[3]所以在研究冰的晶體結構時使用的往往是通過專門製取從而成為單晶的冰晶。1916年末，人們開始利用X射線衍射法對冰晶的結構進行一系列的探究。[4]研究中獲得的照片有12條清晰的衍射線，分析其位置可以得知冰晶屬於六方晶系晶體。如左側的冰晶結構示意圖一所示，冰晶晶胞呈四稜柱形，的底面邊長為4.52Å，高為7.34Å。[5]冰晶分子排列的方式與金屬鎂晶體屬同一晶系，但是通過X射線衍射法可以得知冰晶與金屬鎂在結構上還是有很大差別的。下表是大衛·馬蒂亞斯·丹尼森（David Mathias Dennison，美國物理學家，後來計算出質子服從費米–狄拉克統計，擁有½自旋[6]）於1921年對冰晶進行X射線衍射實驗獲得的結果：

冰晶X射線衍射圖數據表[7]
相鄰線之間的偏角
（度數）		 線的強度
（估算值）		 用作對比的鎂線[8] 晶面間距 晶面取向 基面的數量
觀測值 理論值
10.44 1 4.7 3.92 3.915 1010 3
11.16 10 - 3.67 3.671 0001 1
11.88 2 10.0 3.44 3.453 1011 6
15.30 1.5 3.3 2.68 2.675 1012 6
18.12 1 4.7 2.26 2.260 1120 3
19.86 5 4.0 2.065 2.065 1013 6
21.38 1 4.0 1.92 1.925 1122 6
27.16 1.5 1.0 1.516 1.528 2023 6
30.20 2 1.3 1.368 1.372 1015 6
1.368 1.372 1232 12
31.76 0.25 0.2 1.30 1.305 1010 3
33.08 0.25 1.0 1.25 1.268 1233 12
35.54 0.5 0.3 1.167 1.165 2025 6
冰晶不一定具有規整的形態。

如上方冰晶結構示意圖二所示，冰晶是由多層以六邊形網格狀排列的水分子組成的，其中每片單層冰晶都被稱作「基面」（basal plane），冰晶基面的法線稱為冰晶的「光軸」或「c軸」。基面以垂直於光軸的方式疊加、結合。因為同基面的水分子之間通過較強的氫鍵相連，而相鄰基面的水分子則以較弱的范德華力相連，所以不同基面間容易出現滑移。若要以方向平行於光軸的力破壞冰晶，則施予的壓力需要比使基面發生滑移的力高兩個數量級。[9]

過冷的微小水滴接近物體時能凝固形成冰晶，如凝結在植物枝葉上的霧凇等。[10]此時的冰晶仍由微小的晶體組成，並非無定形冰，但不具有規整的形態。

冰晶的形狀與環境溫度和濕度的關係[11]

形成

冰晶的形成發生在雲層中、雲層下和地表層，並由多個物理過程組成。在冰晶的形成過程中，冰核是必不可少的（其中大氣中懸浮的塵埃顆粒占了70%），在冰核上過冷水滴凝固生長成冰晶。要形成冰晶首先要活化冰核，也就是使冰核能形成冰晶，不同冰核活化的溫度不同。[注 2]溫度下降後，活化的冰核數量增加。冰核活化後，由於伯傑龍效應（Bergeron effect），大氣中的過冷的水蒸氣會在冰核上凝華使冰核增長形成冰晶。以上的過程與大氣中的溫度和濕度有密切聯繫，在不同環境中形成的冰晶形狀是有差異的。[注 3]在冰晶下降過程中會經過各種不同的溫度和濕度的環境，因此最終形成的形狀往往是各種基本形狀的結合體。冰晶的大小與其在雲層中停留的時間、溫度和氣壓還有冰的過飽和程度有關。[12]

融化與破裂

冰晶受熱後轉化為液態水的過程一般稱為「融化」。大氣中冰晶雪花的融化率決定了地表面上的降水類型。在下降過程中，冰晶經過0℃等溫線時開始融化，大多數的冰晶在未融化時帶有正電荷而融化時帶電符號改變。

通過在處於不同融化階段的冰晶置於-78.5℃的乙烷中凍結可以得知：冰晶融化的方式主要取決於晶體的初始類型，並可概括出兩種基本方式：[13]

  • 柱狀冰晶的融化：通常簡單柱狀冰晶開始時表面上的融化一致的，隨後逐漸形成不同厚度的水層，在柱狀晶的中心形成一個或兩個明顯的氣泡，再進一步融化時，產生的水會形成一個清晰的水滴，附著在水滴上的柱狀晶體快速進入水滴中，最終形成一個球形滴。柱狀冰晶融化水有收縮成一個或多個水滴的趨勢，且趨向於收縮至最小表面積；
  • 板狀冰晶的融化：板狀冰晶融化時，融化水形成覆蓋於板上的光滑圓面。而板狀冰晶則沒有縮成單個水滴的趨勢，而是從板狀冰晶融化的水層形成雙凸鏡帶冰狀，限定冰晶的周邊。

中國氣象學家龔乃虎於1982年在美國猶他大學做「為延長冰晶生長的微物理風洞實驗」時獲得了冰晶與溫度、形狀、大小、生長時間、下降速度及融化後質量的資料，並總結出冰晶在不同溫度下融化的規律。[注 4]在該實驗中獲得的數據見下表：

垂直風洞內懸浮生長冰晶溫度、生長時間、尺寸、含水量、融化後質量及破裂碎滴數[14]
溫度（℃） 生長時間 尺寸（mm） 含水量
（LWC）		 質量（μg） 下落速度
（cm/s）		 融化前後滴數 備註
2a c
-4.2 13 0.15 0.13 0.5 0.5 1:1 六角板
-4.5 19 0.1 0.7 0.5 2.15 1:3 鞘凇
-4.9 10 0.08 0.44 0.5 1.1 1:3 鞘狀
-5.0 13 0.05 1.2 0.5 2.3 2:14 雙針狀
-5.1 19 0.22 0.42 0.5 1.15 36 3:4 三疊合針狀
-6.2 19 0.50 0.48 0.5 8.18 54 2:1 雙柱凇晶
-8.5 13 0.22 0.2 0.5 1.8 1:1 凇晶
-8.9 19 0.25 0.2 0.5 4.2 1:1 凇晶
-10.6 25 1.25 0.95 0.8 49 等距+凇晶
-11.4 19 0.45 0.54 0.8 8.18 1:2 六角凇晶
-12.3 19 0.9 0.5 0.8 11.5 1:1 六角扇凇晶
-14.7 10 1.7 - 0.8 8.62 1:18 分枝六角星

大氣現象

冰晶是多種大氣現象的成因，這些大氣現象主要包括雲、降水及冰暈。氣溫達-5℃時高空中便會形成六角形的冰針。同時，韋格納–伯傑龍–芬德森過程（Wegener–Bergeron–Findeisen process）繼續進行，過冷水蒸發產生的蒸氣在冰晶上凝華。若冰晶周圍水氣多，則垂直於光軸的六個角增長較快，就形成板狀冰晶；若冰晶周圍較乾燥，則平行於光軸的兩個底面增長較快，便形成柱狀冰晶；若水氣適中，則形成片狀雪花，上述三者都以降雪的形式落向地面。但如果地面氣溫較高，雪降落過程中冰晶會發生融化，並相互碰撞合併為雨滴，成為降雨。

懸浮在大氣中的冰晶折射陽光或月光形成通常呈環狀或弧狀的暈，典型的現象包括日暈、月暈和幻日等現象。大氣中的冰晶通常存在於卷狀雲中，這些冰晶多為六稜柱狀，使光發生色散，不同顏色的光有著不同的折射偏角，也就形成了太陽和月亮外環狀或弧狀的彩色的暈。

由於每個冰晶有上下兩個底面和6個側面，再加上冰晶在大氣中隨機分布並且沒有固定的方向，光的入射面、入射角度、在冰晶中的路徑、反射面、反射角度、出射面和出射角度也就存在差異，這導致了各種各樣暈的現象的形成。暈同時也徵兆著各種天氣現象，例如：日暈的出現說明高空空氣品質良好氣流穩定，而帶有冰晶的卷層雲通常是冷暖氣團相遇後形成的，隨著雲層的不斷變厚，高層雲也逐漸形成，預示著將出現降雨。[15]

參見

注釋

  1. ^ 王致君、楚榮忠. 偏振天气雷达在气象中的应用简介 (PDF). 乾旱氣象. 2004年6月, 22 (2): 62–68 （中文（簡體））. 由於雲內許多水成物粒子都不是理想的球體，而且粒子的軸在空間分布上存在優勢取向，所以可用偏振技術對其進行研究，這就是偏振氣象雷達發展的理論基礎。 [永久失效連結]
  2. ^ 不同冰核及其活化溫度：菱鎂礦（-8℃）、高嶺石（-9℃）、赤鐵礦（-10℃）、馬錢子鹼（-11℃）、火山灰（-13℃）、黑雲母（-14℃）、蛭石（-15℃）。
  3. ^ 一般冰晶的形態與形成溫度間的關係如下：板狀或片狀（0℃至-3℃、-9℃至-12℃、-18℃至-22℃）、針狀（-3℃至-5℃）、柱狀（-5℃至-9℃、-22℃以下）、星狀（-12℃至-18℃）。
  4. ^ 由龔乃虎等總結的冰晶在不同溫度下融化的規律：
    • -4℃時，六角板狀冰晶融化後仍為一個水滴；
    • -5℃時，因為針狀或鞘狀冰晶容易粘附，當增長時間長時會有凇附現象，所以在融化後能產生多個小水滴；
    • -7℃左右時，柱狀冰晶融化呈橢球狀並最終在張力作用下形成圓球水滴；
    • -l0℃左右時，等距冰晶融化形成一個圓形水滴，在過冷水層內，當增長時間變長時，這種冰晶由於下降速度大會凇附很多過冷水，融化後水滴質量大；
    • -l2℃左右時，六角板狀冰晶融化為一個個水滴，若凇附有過冷水可形成一個大水滴或多個小水滴；
    • -l5℃時，分枝狀冰雪晶融化後中心形成一個大水滴，六個分枝形成六個小水滴，分枝狀冰晶質量增長快，且在接近熔點時易於攀附，往往在融化時發生碎裂形成多個小水滴。

參考文獻

  1. ^ Todd S. Glickman. Glossary of meteorology 2. American Meteorological Society. Jan 1, 2000 [2012-02-07]. ISBN 978-1878220349. （原始內容存檔於2008-03-16） （英語）. 
  2. ^ William D. Nesse. Introduction to Mineralogy. Oxford University Press. Nov 4, 1999: 966–967. ISBN 978-0-19-510691-6 （英語）. 
  3. ^ Philip Ball. H2O: a biography of water. Phoenix. Oct 2000. ISBN 978-0-753-81092-7 （英語）. 
  4. ^ Ancel St. John. The Crystal Structure of Ice (PDF). Proc Natl Acad Sci USA. Jul 1918, 4 (7): 193–197 [2012-02-09]. PMC 1091441 可免費查閱. PMID 16576297. （原始內容存檔 (PDF)於2021-06-25） （英語）. 
  5. ^ Sir W H Bragg. The Crystal Structure of Ice (PDF). Proc. Phys. Soc. London. 1921, 34 (98): 193–197. doi:10.1088/1478-7814/34/1/322 （英語）. 
  6. ^ D. M. Dennison. A Note on the Specific Heat of the Hydrogen Molecule (PDF). Roy. Soc. Proc., A. Jul 1, 1927, 115 (711): 483–486 [2012-02-09]. doi:10.1098/rspa.1927.0105. （原始內容存檔 (PDF)於2013-06-17）.  Communicated by R. H. Fowler（英文）
  7. ^ D. M. Dennison. The Crystal Structure of Ice. Physical Review. 1921, 17 (1): 20–22. doi:10.1103/PhysRev.17.20 （英語）. 
  8. ^ 這組數據由大衛·馬蒂亞斯·丹尼森摘自阿爾伯特·華萊士·赫爾（Albert Wallace Hull）對金屬鎂晶體研究的論文：A. W. Hull. The Crystal Structure of Magnesium (PDF). Proc Natl Acad Sci USA. Jul 1917, 3 (7): 470–473 [2012-02-09]. PMC 1091290 可免費查閱. PMID 16576242. （原始內容存檔 (PDF)於2020-02-13） （英語）. 
  9. ^ Structure and Structural Changes of Ice Crystal [冰晶的結構與結構變化]. The Research about Flow of Ice of Centre for Ice and Climate. University of Copenhagen. [2012-02-07]. （原始內容存檔於2012-12-11） （英語）. 
  10. ^ Weather Facts [氣象事實]. The Formation of Rime Ice. WeatherOnline Ltd. [2012-02-07]. （原始內容存檔於2012-02-13） （英語）. 
  11. ^ Common Crystal Habbits and Formation Conditions [常見晶體結構及形成條件]. Winter Microphysics Topics: Winter Precipitation Processes. [2012-02-14]. （原始內容存檔於2013-06-08） （英語）. 
  12. ^ Ivan Dubé. From mm to cm... Study of snow/liquid water ratios in Quebec (PDF). Unpublished Manuscript. Dec 2003: 14–16 [2012-02-13]. （原始內容存檔 (PDF)於2011-11-01） （英語）. 
  13. ^ Knight, Charles A. Observations of the Morphology of Melting Snow. Journal of Atmospheric Sciences. 1979, 36 (6): 1123–1132. doi:10.1175/1520-0469(1979)036<1123:OOTMOM>2.0.CO;2 （英語）. 
  14. ^ 龔乃虎. 关于冰晶雪花融化问题的研究——进展与展望. 高原氣象. 1999年8月, 18 (3): 368–376 [2012-02-11]. （原始內容存檔於2020-10-06） （中文（簡體））. 
  15. ^ 梁鋒.呂冬柏.陳朝輝. 日晕奇观的形成. 現代農業. 2009, (4) [2012-02-14]. （原始內容存檔於2020-10-06） （中文）. 

外部連結

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