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冰晶

中文名:冰晶

本質:固態水合物

冰晶英語:ice crystal)是宏觀晶體形式。冰晶在光學電學物理性質方面有各向異性,並且具有較高的介電常數[1]冰晶常呈六角柱狀、六角板狀、枝狀、針狀等形狀,由於大氣中的冰晶一般由水蒸氣凝華產生,因此具有非常對稱的外型。在不同的環境溫度濕度中,可以產生不同的對稱外形。當環境因素改變時,冰晶的形成方式也可能會改變,因此最終形成的晶體可能是多種樣式混合而成的,例如冠柱晶。空中的冰晶下落時傾向以其側棱平行地平線,因此能以增強的差動反射率偏振天氣雷達信號(polarimetric weather radar)中被發現。[注 1]冰晶帶後,下落的方向便不再平行於地平線。帶電的冰晶也很較容易被偏振天氣雷達檢測出來。

目錄

結構

宏觀的冰是多晶的,[2]所以在研究冰的晶體結構時使用的往往是單晶的冰晶。1916年末,人們開始利用X射線衍射法對冰晶的結構進行一系列的探究。[3]研究中獲得的照片有12條清晰的衍射線,分析其位置可以得知冰晶屬於六方晶系晶體。如左側的冰晶結構示意圖一所示,冰晶晶胞四稜柱形,的底面邊長為4.52Å為7.34Å。[4]冰晶分子排列的方式與金屬晶體屬同一晶系,但是通過X射線衍射法可以得知冰晶與金屬鎂在結構上還是有很大差別的。下表是大衛·馬蒂亞斯·丹尼森(David Mathias Dennison,美國物理學家,後來計算出質子服從費米–狄拉克統計,擁有½自旋[5])於1921年對冰晶進行X射線衍射實驗獲得的結果:

冰晶X射線衍射圖數據表[6]
相鄰線之間的偏角
(度數)
線的強度
(估算值)
用作對比的鎂線[7] 晶面間距 晶面取向 基面的數量
觀測值 理論值
10.44 1 4.7 3.92 3.915 1010 3
11.16 10 - 3.67 3.671 0001 1
11.88 2 10.0 3.44 3.453 1011 6
15.30 1.5 3.3 2.68 2.675 1012 6
18.12 1 4.7 2.26 2.260 1120 3
19.86 5 4.0 2.065 2.065 1013 6
21.38 1 4.0 1.92 1.925 1122 6
27.16 1.5 1.0 1.516 1.528 2023 6
30.20 2 1.3 1.368 1.372 1015 6
1.368 1.372 1232 12
31.76 0.25 0.2 1.30 1.305 1010 3
33.08 0.25 1.0 1.25 1.268 1233 12
35.54 0.5 0.3 1.167 1.165 2025 6

應用

降雪

極小的冰晶和0℃以下的過冷卻水滴組成雲層,水氣不斷升騰與冰晶凝華,水溫達-5℃時,無數根六角形的冰針就形成了。這是冰晶最穩定的形狀。同時,凝華作用還在繼續進行。如果冰晶周圍水氣多,6個角增長很快,就形成星狀;假如冰晶四周水氣很少,6角不如兩個底面增長快,便形成柱狀;倘若水氣適中,則形成片狀雪花。如果地面氣溫較高,雪降落過程中邊融化邊碰撞合併為水滴,最終成為降雨。

製冷設備

該產品外殼採用高強度耐低落溫材料,內盛蓄冷液(白色稠液體)而成(冰點-12℃,即零下12度結冰,冰點比水的冰點低,故儲存的冷量和溶解時釋放出的冷量都遠遠大於水,直接起到增強降溫製冷之用,具有儲冷足、降溫快、釋冷慢等特點。),採用橡膠塞加鋁蓋密封不會泄漏,無毒,符合衛生標準,儲冷量大,廣泛適用於各種冰箱、冷櫃、魚箱作、醫藥儲冷保冷;如今被廣泛用於空調扇增強降溫製冷之用(先將冰晶放進冰箱冷凍5到6小時結冰後,再放入空調扇水箱內降溫,循環使用,永不失效)。成分是冷媒: (——以下是是把載冷劑和製冷劑統稱冷媒) 冷凍空調系統中,用以傳遞熱能,產生冷凍效果之工作流體。依工作方式分類可分為一次(Primary)冷媒與二次(Secondary)冷媒。依物質屬性分類可分為自然(Natural)冷媒與合成(Synthetic)冷媒。 理想冷媒:無毒、不爆炸、對金屬及非金屬無腐蝕作用、不燃燒、泄漏時易於察覺、化學性安定、對潤滑油無破壞性、具有較的蒸發潛熱、對環境無害 。

形成

冰晶的形成發生在雲層中、雲層下和地表層,並由多個物理過程組成。在冰晶的形成過程中,冰核是必不可少的(其中大氣中懸浮的塵埃顆粒占了70%),在冰核上過冷水滴凝固生長成冰晶。要形成冰晶首先要活化冰核,也就是使冰核能形成冰晶,不同冰核活化的溫度不同。[注 2]溫度下降後,活化的冰核數量增加。冰核活化後,由於伯傑龍效應(Bergeron effect),大氣中的過冷的水蒸氣會在冰核上凝華使冰核增長形成冰晶。以上的過程與大氣中的溫度和濕度有密切聯繫,在不同環境中形成的冰晶形狀是有差異的。[注 3]在冰晶下降過程中會經過各種不同的溫度和濕度的環境,因此最終形成的形狀往往是各種基本形狀的結合體。冰晶的大小與其在雲層中停留的時間、溫度和氣壓還有冰的過飽和程度有關。[8]

融化與破裂

冰晶受後轉化為液態水的過程一般稱為「融化」。大氣中冰晶雪花的融化率決定了地表面上的降水類型。在下降過程中,冰晶經過0等溫線時開始融化,大多數的冰晶在未融化時帶有正電荷而融化時帶電符號改變。

通過在處於不同融化階段的冰晶置於-78.5℃的乙烷中凍結可以得知:冰晶融化的方式主要取決於晶體的初始類型,並可概括出兩種基本方式:[9]

  • 柱狀冰晶的融化:通常簡單柱狀冰晶開始時表面上的融化一致的,隨後逐漸形成不同厚度的水層,在柱狀晶的中心形成一個或兩個明顯的氣泡,再進一步融化時,產生的水會形成一個清晰的水滴,附着在水滴上的柱狀晶體快速進入水滴中,最終形成一個球形滴。柱狀冰晶融化水有收縮成一個或多個水滴的趨勢,且趨向於收縮至最小表面積
  • 板狀冰晶的融化:板狀冰晶融化時,融化水形成覆蓋於板上的光滑圓面。而板狀冰晶則沒有縮成單個水滴的趨勢,而是從板狀冰晶融化的水層形成雙凸鏡帶冰狀,限定冰晶的周邊。

中國氣象學家龔乃虎於1982年在美國猶他大學做「為延長冰晶生長的微物理風洞實驗」時獲得了冰晶與溫度、形狀、大小、生長時間、下降速度及融化後質量的資料,並總結出冰晶在不同溫度下融化的規律。[注 4]在該實驗中獲得的數據見下表:

垂直風洞內懸浮生長冰晶溫度、生長時間、尺寸、含水量、融化後質量及破裂碎滴數[10]
溫度 生長時間 尺寸(mm 含水量
(LWC)
質量μg 下落速度
cm/s
融化前後滴數 備註
2a c
-4.2 13 0.15 0.13 0.5 0.5 1:1 六角板
-4.5 19 0.1 0.7 0.5 2.15 1:3 鞘凇
-4.9 10 0.08 0.44 0.5 1.1 1:3 鞘狀
-5.0 13 0.05 1.2 0.5 2.3 2:14 雙針狀
-5.1 19 0.22 0.42 0.5 1.15 36 3:4 三疊合針狀
-6.2 19 0.50 0.48 0.5 8.18 54 2:1 雙柱凇晶
-8.5 13 0.22 0.2 0.5 1.8 1:1 凇晶
-8.9 19 0.25 0.2 0.5 4.2 1:1 凇晶
-10.6 25 1.25 0.95 0.8 49 等距+凇晶
-11.4 19 0.45 0.54 0.8 8.18 1:2 六角凇晶
-12.3 19 0.9 0.5 0.8 11.5 1:1 六角扇凇晶
-14.7 10 1.7 - 0.8 8.62 1:18 分枝六角星

大氣現象

冰晶是多種大氣現象的成因,這些大氣現象主要包括降水冰暈氣溫達-5℃時高空中便會形成六角形的冰針。同時,韋格納–伯傑龍–芬德森過程(Wegener–Bergeron–Findeisen process)繼續進行,過冷水蒸發產生的蒸氣在冰晶上凝華。若冰晶周圍水氣多,則垂直於光軸的六個角增長較快,就形成板狀冰晶;若冰晶周圍較乾燥,則平行於光軸的兩個底面增長較快,便形成柱狀冰晶;若水氣適中,則形成片狀雪花,上述三者都以降雪的形式落向地面。但如果地面氣溫較高,雪降落過程中冰晶會發生融化,並相互碰撞合併為雨滴,成為降雨

注釋

  1. 王致君、楚榮忠. 偏振天氣雷達在氣象中的應用簡介 (PDF). 乾旱氣象. 2004年6月, 22 (2): 62–68 (中文(簡體)‎). 由於內許多水成物粒子都不是理想的球體,而且粒子的軸在空間分布上存在優勢取向,所以可用偏振技術對其進行研究,這就是偏振氣象雷達發展的理論基礎。 [失效連結]
  2. 不同冰核及其活化溫度:菱鎂礦(-8℃)、高嶺石(-9℃)、赤鐵礦(-10℃)、馬錢子鹼(-11℃)、火山灰(-13℃)、黑雲母(-14℃)、蛭石(-15℃)。
  3. 一般冰晶的形態與形成溫度間的關係如下:板狀或片狀(0℃至-3℃、-9℃至-12℃、-18℃至-22℃)、針狀(-3℃至-5℃)、柱狀(-5℃至-9℃、-22℃以下)、星狀(-12℃至-18℃)。
  4. 由龔乃虎等總結的冰晶在不同溫度下融化的規律:
    • -4℃時,六角板狀冰晶融化後仍為一個水滴;
    • -5℃時,因為針狀或鞘狀冰晶容易粘附,當增長時間長時會有凇附現象,所以在融化後能產生多個小水滴;
    • -7℃左右時,柱狀冰晶融化呈橢球狀並最終在張力作用下形成圓球水滴;
    • -l0℃左右時,等距冰晶融化形成一個圓形水滴,在過冷水層內,當增長時間變長時,這種冰晶由於下降速度大會凇附很多過冷水,融化後水滴質量大;
    • -l2℃左右時,六角板狀冰晶融化為一個個水滴,若凇附有過冷水可形成一個大水滴或多個小水滴;
    • -l5℃時,分枝狀冰雪晶融化後中心形成一個大水滴,六個分枝形成六個小水滴,分枝狀冰晶質量增長快,且在接近熔點時易於攀附,往往在融化時發生碎裂形成多個小水滴。

參考文獻

  1. Todd S. Glickman. Glossary of meteorology 2. American Meteorological Society. Jan 1, 2000. ISBN 978-1878220349. (原始內容存檔於2008-03-16) (英語). 
  2. Philip Ball. H2O: a biography of water. Phoenix. Oct 2000. ISBN 978-0-753-81092-7 (英語). 
  3. Ancel St. John. The Crystal Structure of Ice (PDF). Proc Natl Acad Sci USA. Jul 1918, 4 (7): 193–197. PMC 1091441. PMID 16576297 (英語). 
  4. Sir W H Bragg. The Crystal Structure of Ice (PDF). Proc. Phys. Soc. London. 1921, 34 (98): 193–197. doi:10.1088/1478-7814/34/1/322 (英語). 
  5. D. M. Dennison. A Note on the Specific Heat of the Hydrogen Molecule (PDF). Roy. Soc. Proc., A. Jul 1, 1927, 115 (711): 483–486. doi:10.1098/rspa.1927.0105.  Communicated by R. H. Fowler(英文)
  6. D. M. Dennison. The Crystal Structure of Ice. Physical Review. 1921, 17 (1): 20–22. doi:10.1103/PhysRev.17.20 (英語). 
  7. 這組數據由大衛·馬蒂亞斯·丹尼森摘自阿爾伯特·華萊士·赫爾(Albert Wallace Hull)對金屬鎂晶體研究的論文:A. W. Hull. The Crystal Structure of Magnesium (PDF). Proc Natl Acad Sci USA. Jul 1917, 3 (7): 470–473. PMC 1091290. PMID 16576242 (英語). 
  8. Ivan Dubé. From mm to cm... Study of snow/liquid water ratios in Quebec (PDF). Unpublished Manuscript. Dec 2003: 14–16 (英語). 
  9. Knight, Charles A. Observations of the Morphology of Melting Snow. Journal of Atmospheric Sciences. 1979, 36 (6): 1123–1132. doi:10.1175/1520-0469(1979)036<1123:OOTMOM>2.0.CO;2 (英語). 
  10. 龔乃虎. 關於冰晶雪花融化問題的研究——進展與展望. 高原氣象. 1999年8月, 18 (3): 368–376 (中文(簡體)‎).