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姗姗来迟的大雪,降落需要几步?

赛先生  · 公众号  · 科学  · 2025-03-15 19:04

正文

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3月15日,许多北京居民的朋友圈被春雪刷屏了。拍摄:潘孝本


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导读:

3月15日,憋了一个冬天的北京,迎来了2025年的初雪。成团的雪花,穿过大气层,簌簌地来到眼前,是不是很惊喜?
实际上,降雪从来不是一件容易的事。这可是个精细 活儿。
瞿立建  | 撰文

下雪是不是很简单,把雨滴冻成冰,掉下来就是雪?非也,这种东西叫冰丸(ice pellet),不是雪。 降雪个精细活,分为五步:

1. 凝汽为云

2. 结水成冰

3. 吸气成雪

4. 雪上加凇

5. 碰并勾连。

SAIXIANSHENG
第一步:凝汽为云

下雪是一种降水过程,要降水天上就要先有水。

富含水蒸气的空气上升到高处,那里温度很低,水蒸气在空气中的灰尘、污染物、火山灰、海盐等固体小颗粒上,凝结成液滴,称为云滴(Cloud Droplet),云滴内部的小颗粒称为云凝结核(cloud condensation nuclei, CCN)。
云滴可通过碰撞聚集在一起,足够重的时候会掉落下来,这就是下雨。
下雪是另外一个故事。

云凝结核、云滴、雨滴的相对大小

SAIXIANSHENG
第二步:结水成冰

大气温度继续降低,降低到冰点时,云滴并不会就开始结成冰,而是要求温度进一步降低。冰点之下的液态水称为过冷水。

温度越过冰点继续降低,云滴碰到合适的小颗粒,开始结冰,这样的小颗粒称为冰核颗粒(ice nucleating particle),与水蒸气凝结成水过程中云凝结核的作用类似。有些云凝结核就可以发挥冰核颗粒的作用。新结冰有的会碎掉,分崩的冰碎片是最佳的冰核颗粒。这种过程叫冰晶倍增(ice multiplication)。

云通常是冰和过冷云滴的混合物,这样的云叫做混合相云(mixed-phase clouds)。地球上绝大多数雪降落自混合相云。

混合相云示意图

阿尔卑斯山少女峰上空的混合相云。束线状云为主要由冰晶组成的云,绒团状云为主要由液滴组成的云。

小冰核沾上更多的云滴,是不是就长成雪花了?

雪花不是这样长的。
SAIXIANSHENG
第三步:吸气成雪

冰晶和水滴中的水分子是不是就锁死在其中呢?
不是的,水分子不是静静待在那里,而是在剧烈运动着,并且运动速度不一样。有些水分子会从冰晶或水滴跑出去,有些水分子会进入到冰晶或水滴中。冰晶或水滴与表面附近的水蒸气一直进行着分子交换。进出的分子数如果相等,冰晶或水滴的大小也就确定了。如果跑出去的分子多于进来的水分子,那就是冰晶融化或水滴蒸发,反过来,进来的水分子如果多于跑出去的分子,冰晶或水滴将长大。
液体与蒸汽在分界面处进行着分子交换
下面我们看看云中发生的事情。
冰和云滴在云中混合在一起。冰晶中水分子要比液体中水分子结合得更紧密,因此,冰晶附近水蒸气要比云滴附近水蒸气稀薄。云滴附近水分子就要倾向于往冰晶附近跑,结合在冰中,使冰晶长大,成为雪花,而云滴中会跑出更多水分子弥补外部流失的水分子,结果云滴会变小,即蒸发。






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