雪是一种迷人的物质——它会成长、进化、致密和融化，并且有许多不同的晶体 形式。地面上的雪与空中的雪有很大的不同，而且通常在空间上是不均匀的。 眼于不同的雪花晶体在大气中形成的原因，积雪是如何形成的，以及随着时间的 推移会发生什么。要了解如何利用物理学来确定雪温度，这决定了雪晶体的变化以及 雪是否融化。

1 雪晶的形成

    雪晶体是冰冻圈的基石。虽然大气的化学成分也有影响，但由大气中的尘埃或气 溶胶粒子核在大气中形成的雪晶体的确切形式取决于空气中的温度和湿度。一系列的 晶体可能会形成我们的描述雪花是恒星树突状还是其他形状，尽管其他形式包括六角形板，树突与六角形板延伸、针、柱和帽柱。从水分子结构的形状来看，这些晶体是 六角形的，或者在本质上呈现六重对称。尽管大多数雪花的照片显示出完美的对称，但这些是晶体的超模，大多数雪晶体在某种程度上是不平衡的。

    在适度的湿度条件下，在较慢的速度下，蒸汽往往附着在悬垂的化学键上。这导致了平滑的表面和随后形成六角形板。降雪晶体的电镜图像如下图所示。晶体形式随 过饱和而发生的变化已相当清楚地理解。然而，为什么温度变化几度就会形成完全不 同的晶体却不是？

在降雪中发现的不同形式的雪晶体。

    从技术上讲，一片雪花可以是单个的雪花晶体，也可以是一堆粘在一起的雪花晶体。当雪花落下并在表面沉积时，就形成了一层雪。雪层的性质会随着时间的推移而改变，这取决于积雪的热历史，但深入到雪中，展现在你面前的是一个降雪记录，因为雪层大部分都被保存了下来。在雪层中发生两个主要的变化:致密化和雪晶体的增长。

2 致密化

    随着时间的推移，积雪变得越来越密集。对于新雪来说，这部分是由于树枝状臂 断裂的机械作用，但也是热力学作用。雪晶结构的变质变化导致更好的雪粒堆积和雪的沉积。在这段时间里，雪粒之间形成了键，在粘性较强的结构中，变质致密化减 慢。当更多的雪堆积时，上面的雪的压力迫使更紧密的雪粒堆积，但这种致密率比初始率要慢。湿雪的致密化速度要快得多，对于较高密度的雪(>150 kg/ m3)，致密化过 程变慢，致密化速率随之降低。粘度大小取决于温度、密度和颗粒类型。密度高达550 kg/ m3，雪晶体紧密地包裹在一起。冰的致密化包括三个致密化阶段，其中密封 填料是第一个阶段。第二阶段是颗粒之间的颈状生长，也称为烧结，以及颗粒重排。 在第三阶段，冰基质中的孔隙被封闭，通过气泡的压缩而致密化。雪的微观结构会产生影响。晶体之间形成的键影响雪的抗压强度。致密率与雪的微观结构有关。夏季和冬季雪的强度不同，密度率取决于雪的温度历史。

积雪演变为冰的过程，也是一个致密化的过程

    雪的致密化是一个重要的过程，因为雪从轻而蓬松到硬而实。致密化应该包括在雪模型中。质量通常是感兴趣的值，但深度是现场最容易测量的值之一。由于质量=密度乘以体积，因此获得正确的密度是很重要的。雪的深度也决定了温度梯度，反过来也决定了雪晶体的生长速度。雪中的热传导率由热导率参数化，热导率是密度的函数，密度还会影响微波辐射的电磁散射。因为这种类型的雪很干燥，呈粉状，实际上会渗透到我们的一些机车上的所有保护装置中，这说明了雪的密度是如何影响我们的生活的。

3 雪晶演化 

    雪研究中最令人着迷的领域之一是雪晶体是如何变化的。它们不仅从不同的形状开始，而且还不断演变成其他的形式。最初的雪晶可能很小，例如直径约为 0.2 毫米， 但经过一个季节后，可以长到 6 毫米或更多。

不同形式的雪晶体在 1 毫米的网格。(a)新鲜的树突，(b)新鲜的针状体，(c)圆形的 树枝状碎片，(d)细小的圆形晶体及(e)深度较大的灰白色。

    晶体的生长速度和晶体的形态取决于温度梯度。等温晶粒生长发生在较小或可以忽略的温度梯度条件下，其作用是降低表面自由能，使晶粒变得更圆。如上所述，点和树枝状臂在热力学上不稳定，因此会失去形状。

    然而，在强烈的温度梯度下，会出现一种不同类型的晶粒生长。水从温暖的地方升华，扩散到寒冷的地方凝结。物质从一个晶体的顶部移动，穿过孔隙空间，沉积在另一个晶体的表面，这个过程取决于温度梯度、温度和密度。在高温梯度下形成的深度灰白色晶体的情况下，在这些条件下形成的晶体是面状的。

4 雪能量平衡 

    在雪中，温度主要是由传导和相变控制的。一些太阳辐射穿透雪表面下，这甚至可能导致冰层下的融化。在雪中，热导率取决于雪的结构，特别是雪晶体之间的连接和化学键以及这些晶体的尺寸分布。一种常见的方法是通过雪的密度将雪的导热系数与冰和空气成分联系起来。 

    太阳辐射是唯一能穿透到积雪内部的表面能量通量。地表反照率是太阳辐射被地表反射的比例。对于雪来说，这与雪粒的大小有关。刚下的雪看起来很明亮，因为它的晶体很小，能反射绝大多数的阳光。雪反射的阳光量取决于雪晶体的大小和光的波长。

5 雪质量平衡

    雪的质量平衡可以应用于整个积雪层，也可以应用于单个成分: 冰、液态水和水蒸气。假设冰的质量在模型层之间不移动，层内冰质量的唯一变化是由于相的变化。液体质量的变化等于通过层的顶部流入的质量，减去从层的底部流出的质量，加上融化的雪的数量，减去蒸发的液态水的数量，液态水流过雪是一个有趣的物理问题，水渗透性取决于有效饱和硒，冰基质密度，但也取决于雪颗粒的大小。

6 季节性变化

    雪随着季节的变化而变化。它是通过降雪形成的，层被压缩，单个晶体改变形状和大小。随着日照时间的延长，太阳在天空中的位置越来越高，更多的能量被输入到雪中。春天带来了季节性积雪的完全融化。然而，在高纬度或高海拔地区，能量输入可能不足以融化积雪，而且可能全年持续存在。熬过了融化季节的雪会演变成雪和冰川冰之间的一个中间阶段，称为粒雪。冰原由于同样的物理过程而继续进化，密度足 够高时就会变成陆冰。