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自然界的微雕藝術-雪花結晶的科學原理
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更新時間   2025-12-23
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作者    毛渝婷
責任編輯    毛渝婷
由於台灣的副熱帶氣候,想要親眼見到雪並不容易,通常只有在海拔超過2900公尺的高山上,才能看見山頭白雪皚皚的景象,且僅能至部分的山區開車上山才能近距離要親眼見到及碰觸到雪花。遠看之下,雪花只是棉絮般鬆軟的白色顆粒,當我們拿到顯微鏡下仔細觀察時,才得以一窺這項大自然精雕細琢的精緻藝術品。
 
雪花結晶的原理
雪花結晶的形成主要源自水分子之間的氫鍵作用。在結晶過程中,因為冰晶的晶格呈六方對稱,使得雪花在微觀層次自然形成六角形的基本架構。這樣的幾何形態並非偶然,而是分子間精密相互作用的結果。
依外觀形態,雪花結晶大致可分為平面型與柱狀(針狀)兩類,差異來自結晶時的生長方向。水分子在結晶過程中,可能向垂直方向或向外側擴展,其結晶樣態取決於哪一個方向的生長速度較快。若向外側的生長速度較快,雪花便會形成扁平、透明的平面結晶;反之,若垂直方向的生長較為迅速,則可能形成針狀、空心或圓柱狀的結晶。
雪花周圍細緻的分支,則與形成過程中的溫度環境密切相關。不同溫度會影響分支的數量與形態,因此,透過觀察雪花的分支結構,往往可以推測其生成時所經歷的溫度變化。
此外,每片雪花在形成過程中所經歷的溫度、濕度與環境條件皆不盡相同,因此其圖案也各自獨一無二,世上不存在完全相同的兩片雪花。
 
雪花結晶的樣態種類
雪花結晶的樣態常見的為以下8種:
1.柱狀結晶(Column crystals)
2.平面結晶(Plane crystals)
3.柱狀與平面混合結晶(Combination of column & plane crystals)
4.聚雪結晶(Aggregation of snow crystals)
5.霜附著雪晶(或:霜化雪晶)(Rimed snow crystals)
6.冰晶胚(或:冰晶萌芽)(Germs of ice crystals)
7.不規則雪粒(Irregular snow particles)
8.其他固體降水(Other solid precipitation)
 
小小一片雪花的形成,竟蘊藏著如此豐富而深奧的科學原理。其結構的複雜性與變化性,令人不禁讚嘆大自然的精妙設計。物質之間的相互作用,竟能孕育出如此多樣而細緻的形態。下次若有機會見到雪花,不妨輕輕捧起,感受這千百片的獨特與瞬息的美。
 
參考資料: