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神秘的雪花

蘇美靈

 

  對於生長在南方以及熱帶的人來說,雪是北方嚴寒天氣的產品,我們只能在聖誕咭看見雪景;或在電視上看見冬季奧林匹克運動會的各項雪上活動。至於雪櫃內的雪和北方地區所降下來的那種雪花是不相同的。雪是神秘的,它往往是詩人吟詩作對的好題材;使畫家有畫不完的景色。雪還帶給人寧靜,安憩的感覺,在溫暖的房屋觀看窗外的雪景,人自然會平靜起來。

  對於科學家而言,雪花是極其神秘的,因為從天降下來的雪花多是呈六角形的,但沒有兩片是完全相同的,它們的圖案要比萬花筒內所能構成的圖案更多和更複雜。究竟雪花神秘在哪裏呢?曾經有雪花的愛好者窮其一生的研究,也不能解答這個謎。

一.雪的分佈

  很多人以為除了南北兩極的冰帽之外,只有北方寒冷地帶才會下雪。事實上在南方甚至赤道的某些地區也可以看到雪景。由南北極計算起,在緯度七十五度以上的地區是經年積雪的,即使是在夏天,地面的雪溶解了,不少細小的草本植物迅速生長,開花和結果。但這些地區海拔一千尺高的地方,雪是不會溶解的,在四十至七十五度緯度地區,如北歐,加拿大,蘇聯北部,冬天下雪是自然現象,因為冬天氣溫降至零度以下,所以下雪。

  在北緯三十度至四十度地區,如美國,中國南部,雖然氣溫較高,但冬天偶然也會下雪。至於香港,位於緯度二十二度,所以通常不會下雪。在赤道地區,只有海拔一萬七千尺的高山才會積雪,所以非洲境內的高山是佈滿積雪的。

二.雪的形成

  有人以為雪即是結了冰的雨,其實兩者差別很大,結了冰的雨稱為霜。水是一種很特別的化合物,它可以以三種狀態存在:固體→液體→氣體。我們所熟悉的水是液體的,水在低溫下轉變成為固體。如果在大氣中的水分變為固體降下來,便成為霜。

  但雪的形成卻並不是經過氣體→液體→固體的步驟,由水的氣體形狀直接變為固體。這是由於水的獨特性。大氣中的水氣分子在零度下仍是液體,稱為超凍(supercooled),通常不會變為固體。但在某些情況下,例如被碰撞便會立即結冰,所以飛機在上空以高速飛行時機身表面會舖上一層雪。在大氣層三百米上空的氣溫若下降至0°C至-4°C,水氣分子會與凝結核(它可能是一些微塵)相撞形成六角形的雪花,繼而降下地面。

  雪通常是透明的,但偶然會看見紅色,綠色,藍色甚至黑色的雪,這是由於水內有真菌,綠藻孢子或空氣污染物。雪花下降之後,會失去了它的結晶體結構,變成粒體,在地上累積便結成冰。

三.雪的分類

  雪花晶片十分細小,由0.05厘米至1.3厘米,根據紀錄,最大的雪花是2.4厘米,是由數千個雪花分子組成。雪花的形狀是由它下降的速度,氣溫,濕度和電極情況而定的。研究雪花者根據觀察將它們分類為四種主要形狀:

  1. 六邊塊形 (6-sided plate)
  2. 六角星形 (6-pointed star)
  3. 六邊柱形
  4. 長針形

  下表是雪花晶片在不同氣溫下的形狀:

溫度°C 雪花晶片形狀
0至-4
薄塊(六邊)
-4至-10
針形(六邊)
-10至-12
塊形(六邊)
-12至-16
樹狀
-16至-22 塊形(六邊)
-22至-50
空心柱

  由此觀之,雪花的形狀,告訴了我們不同的氣溫;它豈不是奇妙的溫度計嗎?

四.雪與生態

  在北方,大地被鋪上一層雪白的外衣,這層雪衣其實是一種寶貴的資源和絕緣體。由於輕盈的雪片和雪片之間可以有很多空隙,其功用是防止熱量向外四散,足以保護植物,不致凍傷。
  泥土上的一層雪,就好像一張最暖的羽毛絨被鋪,防止泥土的熱量向外散發,眾多的微生物,細小的無脊椎動物也因此可以生存,小動物也可以在洞穴內冬眠不至凍死。
  當地面溫度為攝氏零下十度之時,地底下和地上的溫度竟然可以有三十六度之差別:

地方 溫度°C
山上空氣 -38
地面空氣 -25
地面 -10
地洞 -1
地底下 -2

  由於不少植物的種子和嫩芽也是要經過漫長的冰封作用才能在次年春天發芽生長,所以下雪對於北方植物有利無害。若氣溫太高不下雪反而會使農作物失收。在北方居住的愛斯基摩人利用冰來建造房子,冰屋可以抵禦外面的嚴寒。

  下雪也為北方提供了大量的淡水。不少北方地區都建築了大型的水塘以貯藏寶貴的水源。每年春天,氣溫上升,冰便溶解為水,隨即流入水塘,為人畜和農作物提供了整年所需用的淡水。十五厘米的濕雪相等於七十五厘米的乾雪,又等於三厘米的雨水。所以地面上積雪一米深,可以計算出這地方有多少“淡水”供應。

五.雪的研究

  按照西方學者研究所得,最先為雪繪出圖案的是十六世紀的一位瑞典主教。公元前157年的漢朝,中國已有記載花朵多是五塊花瓣的,而雪花則是六角形的。所以最早有關雪花形狀的記載應該是在中國。

  十七世紀,德國人Johannes Kepler(1571-1630)於1611年指出雪花是六角形的,在1635年,笛卡兒(Rene Descartes, 1596-1650)首先詳細記載雪花的形狀,在1885年Wilson A. Bentley(1865-1931)用了五十年的時間,終生研究雪花,並且在零下數十度為雪花拍照,共照了六千張不同圖案的雪花。在1931年有最詳盡的雪花圖案片集面世。在1932年,日本學者中谷宇次郎(Ukichiro Nakaya, 1900-1962)也拍了二千五百張雪花的圖片。即使研究雪花者拍了數以千計的雪花圖片,竟沒有兩張圖案是相同的。

  對於科學家而言,這仍是個謎,唯一的解釋是由於在冰內,氫(H)和氧(O)的位置排列如HOH,正如萬花筒內的碎片在三角鏡片之內可以構成千變萬化的圖案,何況六角形,豈不可以構成更多的圖案嗎?每一個雪花晶片有1018分子的水。所以能產生無數的結構方法。

六.潔白如雪

“你曾進入雪庫,或見過雹倉嗎”?(約伯記38:22)

  聖經多次提到雪,因為以色列地雖然不在北緯30至40度的地區,它境內的高山卻是有雪的,在冬天偶然也會下雪,所以一題起雪以色列人很自然會明白雪的顏色是怎樣的。潔白的雪代表無罪清白,在詩篇第五十一篇7節大衛犯罪後在神面前懺悔,求神洗滌他,他就比雪更白。以賽亞書第一章18節記載神對先知說他們的罪雖像硃紅,必變成雪白,證明神對祂眾兒女的恩典是何等的大。神用雪比如人的罪得以塗抹,人在神的眼中不再是罪人,乃是蒙恩的人。

  雪代表了罪惡被洗滌,雪花晶片獨特的圖案也顯出神造物的大能和智慧。

(選自作者著:聖經與生物學,第六集。基督教天人社出版
雪花圖片轉載自snowcrystal.com)

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