出品：科普中国
制作：郝建生 张丽霞 范术才 李兰海（中国科学院新疆生态与地理研究所）
主管单位：中国科学院计算机网络信息中心
28日夜间至30日，我国北方地区将出现一轮大范围雨雪天气。 华北不少城市可能迎来今年冬天的第一场雪。 北京今天或将迎来首场“准时”初雪，预计今天（29日）傍晚至夜间北京将有小雪。
看雪、赏雪、堆雪人、打雪仗、滑雪。 说到对雪的热爱，南北双方达成共识实属罕见。 但说到“玩”雪，恐怕没有人敢说比他们更专业了。
图1：中国科学院新疆生态与地理研究所雪研究团队拍摄赛里木湖表面雪晶样本
（摄影：范树才 2019年1月17日）
他们就是中国科学院新疆生态与地理研究所的雪研究团队。
说到雪，你知道什么？ 白色，凉，温度升高会融化吗？
事实上，雪不仅具有这些属性。 当你仔细观察雪时，你会发现一个神奇的雪世界。 现在就让我们跟随天山雪研究团队，一起走进奇妙的雪世界吧。
冬天天寒地冻，风霜满天，一切都寂静无声。 雪花从天而降，开始了她多彩的生活。
雪晶的前世
雪是上天派到大地的使者，她会给我们带来许多来自天空的讯息。
当水蒸气压力超过水蒸气饱和点并且大气中水蒸气过饱和时，就会形成云。 当云中温度低于0℃时，出现过冷水蒸气和适宜的气溶胶，以饱和气团中的尘埃粒子为核心，通过吸引过冷水滴，然后以晶体的形式凝结，雪的雏形 冰晶在云中形成。
图2 雪花从天而降（2019年1月19日新疆昭苏县范术才拍摄）
水蒸气不断凝结在雪的初级冰晶上。 当冰晶达到足够的尺寸时，它们可能会与其他冰晶合并并达到一定的重量，然后以雪的形式掉落下来（图2）。
当雪花穿过不同温度和湿度的大气时，就会出现复杂的形状。
主要可分为8大类，至少80个品种。 冰晶的主要形状有针状、柱状、板状等，冰晶可以通过多种方式组合形成各种形状的雪花（图3）。 所以我们可以根据雪花的形状来判断当地的气候和气候变化。
图3 色彩缤纷的雪花（摄影：范树才）
看似洁白的雪，实际上是由无色的冰晶组成的。 雪花对光的漫反射是雪呈现白色的主要原因。
雪晶的童年故事
雪花从天而降，雪花的枝条和角会在飘落的过程中被磨掉。 同时，雪花相互挤压，会破碎成细小的冰晶，最后成为直径小于0.5毫米的圆形颗粒，我们称之为圆形雪晶。 它是地面上雪晶发育和生长的起始状态。
雪是低热导体，低热导率使得雪堆被视为热绝缘体。
随着积雪的积累，积雪的厚度会增加。 雪的导热系数较低，导致雪表面与接近地面的雪层之间存在明显的温差，从而使雪的内部温度呈现明显的梯度变化。
太阳的热辐射和中午的气温导致表层雪层比底层雪层温暖，而当夜间到来时，气温下降，表层雪层比底层雪层凉爽。 昼夜气温的变化导致雪温梯度方向的变化。 温度梯度驱动雪中自由水蒸气的运动，有时向上，有时向下移动。 在徘徊的过程中，它会粘附在圆形雪晶上，使圆形雪晶变成形状各异、直径从1-3毫米不等的多面体雪晶。 相邻的多面体雪晶也被自由水蒸气烧结在一起。 雪中的烧结就像将铁板焊接在一起，将雪晶牢固地连接在一起（图4）。
图4 单多面体雪晶及多晶的烧结（摄影：范树才）
雪晶的中世纪
随着降雪的持续，雪晶青春期的多面体雪晶被新落下的雪覆盖，积雪的厚度不断增加。
此时，底层雪层的温度将始终高于雪表层的温度，整个雪层的温度环境不再发生剧烈变化，温度梯度变大且方向稳定，水汽迁移会加强，方向也会改变。 的团结。
水蒸气不断粘附在多面体雪晶上，晶体之间的相互烧结作用不断加强。 雪晶颗粒逐渐变大，形成迷宫、玛瑙、金字塔、菱形、手枪等各种规则形状的雪晶，晶体直径一般为3-10mm（图5）。 这些较大的雪晶被称为深霜。 深霜有明显的菱角，相互独立，间隙较大。 深霜结合差，间隙大，呈散落形式。 我们也称它为糖雪，像白糖一样散落。 这就是为什么有时候在雪地上行走时，你会踩到地面。
图5 各种形态的深霜（摄影：范树才）
在高温梯度作用下，中下层雪晶发生明显的烧结，形成烧结在一起的深层霜链（图6）。
图6 烧结深霜链（摄影：范树才）
最底层的深霜承受着所有上层积雪的压力。 在压力作用下，烧结的深层霜凝结成坚硬致密的凝结结构（图7）。
图7 凝结的深霜形态（摄影：范树才）
在深霜发展的同一时期，地表的雪晶也呈现增长趋势。 它与大气中的水蒸气接触，当达到冰点时，会导致从水蒸气（气体）到冰（固体）的相变，并粘附在雪晶上。 当相对湿度高于90%、温度低于-8℃时，就会形成蕨类冰结构，即表面霜（图8、9）。
图8 Cream的蕨类结构（摄影：范树才）
图9 雪面上结霜（昭苏范术才2019年2月28日拍摄）
表面霜通常逆风向生长，因为迎风空气比背风空气更潮湿。 但风不能太大，否则会损坏脆弱的蕨类冰结构（图10）。
图10 逆风生长的霜（范树才摄，2019年3月2日摄于新疆和静县）
霜晶体的大小很大程度上取决于温度、水蒸气的量以及它们不受干扰地生长的时间。 中国科学院新疆生态与地理研究所积雪研究团队观察到，新疆巴音布鲁克草原上的霜可以形成高6厘米、直径8厘米的绒花状结构（图11、12）。
图11 雪绒花（郝建生2018年2月24日摄于巴音布鲁克草原）
图12 雪绒花测量（2019年3月3日，巴音布鲁克草原范术才拍摄）
霜晶体的形状取决于它们积累的时间和水蒸气（湿度）的浓度。 霜晶体可以是透明的或白色的。 当霜晶向各个方向散射光线时，霜晶的涂层呈现白色（图13）。
图13 面霜形状（摄影：范树才）
积雪是由多次降雪堆积而成。 由于沉积时间不同，雪晶的发育程度不同，雪晶的颗粒和大小也有明显的差异。 因此，积雪形成清晰的层理结构。
天然雪晶从初期到深霜的发展变质的理想过程是：新雪沉积——雪晶破碎、圆化——多面体雪晶——深霜。 理论上，在雪剖面中观察到的雪晶从上到下有圆形雪晶、多面雪晶和深霜。
图14 天山雪廓线及雪晶形状（范书才2019年1月10日在新疆奇台县山区拍摄）
图14为隆冬天山雪剖面的雪晶层理，从上到下依次为圆形雪晶、多面体雪晶、多面雪晶链、空杯深霜、深霜链、柱状雪晶深霜，凝结深霜。
雪晶的暮光场景
春天到来，大地回暖，万物复苏之际，雪也进入了暮年。
随着气温的升高，整体雪层的温度也上升到0度，雪层中的含水量明显增加，雪的深度也迅速减少。 当雪层温度为0度时，雪晶开始等温变质，整个雪层中的雪晶棱角呈圆形，经过反复的冻融，雪晶胶结在一起，形成了雪晶。体积继续增大，形成融化的雪晶（图15）。
图15 融化的雪晶（摄影：范树才）
随着温度不断升高，融化的雪晶逐渐死亡，最后逐渐变成液态水。
雪晶的传说
春天，白天气温较高，部分雪升华成气态，进入天空。 另一部分雪融化成液态水，流入河流，成为重要的淡水资源或渗入地下滋润万物。 当夜晚来临，气温下降，未进入天空的雪水重新结冰，嵌入土壤中，周而复始（图16）。 当雪水全部消失后，她会在地上留下深深的痕迹，表达她的不舍和留恋。
我轻轻地离开，就像我轻轻地来一样。
图16 地面雪痕（摄影：范树才）
我从天上来，又逃到地里回来。
严寒之日已至，每年都来看你。
问大王是否认识我，知音难觅。
壮丽的生命线，孤独的欣赏。
