图3 绚丽多彩的雪花 (摄影: 范书财)
看起来白茫茫的雪,其实是由无色冰晶体构成的。而雪花对光的漫反射是雪呈现白色的主要原因。
雪花从天而降,在飘落的过程中会磨掉雪花的枝角。同时雪花之间相互挤压,会破碎成细小的冰晶,最终成为直径小于0.5mm的圆形颗粒,我们称为圆化雪晶体。它是雪晶体在地面上发育生长的起始状态。
雪是一种低的热传导体,较低的热传导性使积雪可以被认为是一种绝热体。
随着雪的积累,积雪厚度增加。雪的低热传导性导致雪表面和靠近大地的雪层温度明显不同,从而使积雪内部温度呈现明显的梯度变化。
午间太阳光的热辐射和空气温度导致表面雪层的温度高于底部雪层,而当夜晚到来,温度下降,表面雪层的温度低于底部雪层的温度。昼夜温度的变化导致积雪温度梯度方向改变。温度梯度驱动雪中的自由水汽运移,水汽时而向上运动,时而向下游动。在游移的过程中,会粘附着在圆化雪晶体上,使圆化雪晶体变化成形状各异的、直径范围在1-3mm的多面体雪晶体。相邻的多面体雪晶体也会被游离的水汽烧结在一起。雪中的烧结犹如电焊把铁板焊接在一起一样,牢固的把雪晶体连接在一起(图4)。
图4 单一的多面体雪晶体和多个晶体的烧结 (摄影: 范书财)
随着不断的降雪,处于雪晶体青春期的多面体雪晶体被新降的雪覆盖,积雪厚度不断增加。
此时最底层的雪层温度会一直高于积雪表层温度,整个雪层内的温度环境不再有剧烈的变化,温度梯度变大并且方向呈现稳定态势,水汽运移加强并且方向也随之统一。
水汽不断粘附在多面体雪晶体上,晶体之间相互的烧结作用不断加强。雪晶体颗粒逐渐变大,并且形成有迷宫状、玛瑙状、金字塔状、钻石状、手枪状等各种规则形状的雪晶体,晶体直径一般为3-10mm(图5)。这种个体较大的雪晶体被称为深霜。深霜具有明显的菱角,相互独立,相互之间的空隙较大。深霜相互之间的结合差,空隙较大,其呈现散碎形态,我们也称其为糖雪,犹如白糖一样零散。这就是为什么有时候走在雪地上,会一脚踩空的原因。
图5 各种深霜形态 (摄影: 范书财)
居于中下层的雪晶体在高的温度梯度作用下,发生明显的烧结现象,形成烧结在一起的深霜链(图6)。
图6 烧结的深霜链 (摄影: 范书财)
最低层的深霜承载着上层全部雪的压力,在压力的作用下,烧结在一起的深霜发生凝聚,形成硬度较大,密实的凝聚态结构(图7)。