雪晶成核和生长机理研究

    1 前言

    为了探索自然雪花的形成机理和条件,早期的研究者们主要是通过观察自然降雪现象来开展工作的。日本的中谷宇吉郎教授在1932年开始雪晶的研究工作,将收集的3000多个自然雪晶形状划分为40个类别,并于1936年首先成功地在实验室生长出了“人造雪晶”[1]。

    随着人工环境技术的发展,人工造雪已经成为建立特殊环境、丰富人们生活的重要手段,也是制冷行业一个新的应用领域[2]。通过对雪晶成核、生长现象的研究,可以加深对雪晶生成过程机理的了解,对于人工造雪技术的发展具有重要意义。

    2 冰晶的分子结构特征和雪晶形状的变化

    为了揭示冰晶的分子结构,文献[3]提出了冰晶的空间六方晶格结构。如图1所示,黑球代表氧原子,白球代表氢原子,杆代表氢键,冰的基本晶胞由五个水分子组成,水分子之间以氢键连接,每个水分子由其它四个水分子四面地包围,这些水分子四面体结合形成空间六方晶格结构。雪晶和冰都属于六方晶系,六方晶系具有四个结晶轴,其中三个辅轴在一个基面上,互相以60°的角度相交,主晶轴与三个辅轴所形成的基面垂直,研究者将主晶轴定义为c轴,将辅轴定义为a轴,如图2所示[4]。冰晶的这种空间六方晶格结构决定了雪晶核的六角对称形状。雪晶核的基本形态是六角形板和棱柱,雪晶形态是这两种基本形态的发展、演变或组合。

    雪晶的形状与生长环境的条件有很大关系,当生长着的雪晶穿越不同温度和湿度的大气层时,其生长将发生变化,分枝的生长也将同时发生变化,雪晶的复杂形状反映了它在大气中的复杂路径。

    图3为雪晶的形状与生长环境的温湿度之间的关系。随着温度的升高,雪晶的形状交替发生三次转变,即在-4℃时由板状变成棱柱状,在-10℃时再变成板状,在-22℃时又变成棱柱状。随着过饱和度的增加,雪晶形状发生了以下变化:从实心板状→空心板状→扇形板状→枝状晶体,或从实心棱柱→空心棱柱→针状。当过饱和度较小时,棱面的生长速率比底面慢得多,冰晶生长成棱柱状,其内部经常是空的。当过饱和度较大时,棱面的生长速率比底面快,于是便生长成板状雪晶;当过饱和度很大时,板状雪晶的棱角迅速生长,形成枝状雪晶。

    3 雪晶的成核机理

    雪晶生长始于雪晶核,在自然界,雪晶核的成核有四种主要基本模式:凝华成核、凝结-冻结成核、沉浸-冻结成核和接触-冻结成核[5]。凝华成核指在冰晶形成过程中,水蒸汽直接转变成雪晶核。凝结-冻结成核指水蒸汽先在气溶胶颗粒上凝结成微小液滴然后再冻结成雪晶核。沉浸-冻结成核指气溶胶颗粒浸入小液滴中而使其冻结形成雪晶核。接触-冻结成核指过冷液滴和气溶胶颗粒接触而形成雪晶核。