物理爱好者

漫步云涧

大厅里的雪花



茹自青



　　1779年冬天，在沙皇俄国首都彼得堡的一个寒夜，街道上冷冷清清，几乎不见行人。但是，在市中心一个大厅里却灯火辉煌，热闹非常。六千支燃烧着的巨型蜡烛，把大厅里的气氛烘托得更加热气腾腾。原来，这里正在举行盛大的舞会，夫人小姐、名流雅士拥满大厅，在悠扬的乐曲声中翩翩起舞，有的人还淌着汗水。正当大家跳得如痴如狂的时候，一位小姐突然晕倒在地，旁边的人不知如何是好。这时有人喊道：“快快打开窗户。”当人们打开窗户后，刺骨的寒风涌入大厅，这时出现了奇怪的现象：大厅里竟然飞起雪花，纷纷扬扬的雪花落到人们的头发和衣服上。在场的人无不目瞪口呆、面面相觑。这究竟是怎么回事？大厅里的雪花从何而来呢？

　　大自然中的雪花是空气中的水汽遇冷凝华而成的，若要形成雪花，应当具备三个条件：水汽、遇冷、凝结核。大厅里正是由于具备了这三个条件，所以出现了雪花。

　　大厅里的水汽是由于来宾们的呼吸和汗水蒸发形成的。

　　破窗而入的刺骨寒风造成了水汽遇冷这个条件。

　　蜡烛燃烧放出的烟，人们跳舞扬起的尘土，充当了凝结核的角色。

　　大厅里的水汽，遇上从窗口涌入的寒冷空气，便以烟和尘土为核心凝华，这就是大厅里雪花飞扬的原因。

　　大厅里的雪花之谜真相大白了。现在要问，你能否创造条件在家里制造一次人工降雪，让你的全家也看看这种奇景呢？

漫步云涧

云雨雪雹

漫步云涧

张协成

在各种天气现象中，人们最熟悉和关注的，恐怕是云、雨、雪、冰雹现象了。因为这些现象直接影响到人们的生产、交通和日常生活。然而，它们产生的原因和物理过程是怎样的呢？ 　　这要先从云说起。我们知道，包围我们地球表面的大气，是由于净空气、水汽和固体杂质（如灰尘）组成的。水汽是一种看不见的气体，它在大气中占的比例虽然很小，但却是造成天气变化的一个必要“角色”。含有水汽的潮湿空气，在上升过程中，由于外界气压减小，体积就要膨胀。气体膨胀时，它的温度降低。由于温度降低，空气中容纳水汽的本领变小了，于是出现了水汽“过剩”现象。过剩的水汽便以尘埃等小颗粒为核心，凝结成小水滴，当高空的温度低于某一温度时，过剩的水汽便凝华成小冰晶。这些许许多多漂浮在高空的小水滴和小冰晶集聚在一起，便形成了云。 　　云中的小水滴和小冰晶体积都非常小，直径平均只有几微米，它们只能飘浮在高空，还不能下降形成雨和雪。只有当它们增大到所受的重力足以克服空气的浮力和暖空气上升的举力，又不会被蒸发掉时，才能降落到地面上，形成雨或雪。 　　那么，小云滴又是怎样增大的呢？ 　　一种方式是水汽以小云滴为核心继续凝结和凝华，这种作用在云滴增大的初期起主要作用。另一种方式是云滴相互合并，这种方式在云滴增大的后期起主要作用。由于云滴的大小不同，它们下降的速度也不同。最小的云滴，下降速度只有1毫米／秒；最大的云滴，下降速度可达72厘米／秒。因此，在下落过程中，大云滴和小云滴经常发生碰撞合并现象（图3－1）。大云滴吞并了小云滴，壮大了自己。吞并的结果，会很快增大到空气再也承托不住它的状态。这时，它便会从高空掉下来，这就是我们经常可以看到的雨。 　　增大到能够降下来的云滴，并不一定都以雨的形式出现：当云内温度较高时，云完全是由水滴组成的，降到地面上的便是雨；云滴开始下降时，如果是冰晶或是雪花，但是当它们通过较暖的空气层后，也会熔解成雨滴，或者形成雨加雪；只有当云内和云下空气的温度都低于0℃时，掉下来的才是雪。 　　产生冰雹的虽然也是云，但它和一般的云有些不同。这种云上升运动特别剧烈，常升高到几千米甚至一、二万米，云层也特别厚，人们把它叫做秋雨云。在秋雨云中，空气的上升气流挟带着大量的水汽，急速地上升到高空，然后又很快地变冷。这时水汽立即凝华成小冰晶，又从高空掉下来，经过一层温度在0℃以下但还没有冻结的冷水层，于是冷水便在冰晶上凝结，成为一层不透明的冰，这样，小冰晶变成了较大的“雪珠”。由于雪珠比一般的冰晶重，一但上升气流较弱时，便马上下落，且表面开始熔解；但是，这时如果它又遇到强烈的上升气流，又会使上述物理过程重新循环。这样，在雪珠外面，不断地裹上一层层“冰衣”，直到上升气流再也承托不住它的时候，雪球便掉了下来，这就是我们常见的冰雹。

漫步云涧

你如果用放大镜仔细观察雪花，就可以看到，它们有的是六角形，有的呈星枝状，还有的是针状、柱状等等，真可谓千姿百态，闪光晶亮（图3－2）。再仔细观察，还可以发现，这些形态各异的雪花，基本上是六角形。这一点我国早在公元前135年的西汉就有人记下“凡草本花多五出，独雪花六出。”曾经有人花了毕生的精力研究雪花，发现有近六千种不同形态的雪花，但却没有见到过五角雪花和八瓣雪花。

　　雪花为什么基本上是六角的呢？这得从雪花的形成谈起。
　　雪花是水的一种形态，它是由水汽直接变成的晶体。含有结晶核和水汽的云上升到远远低于0℃的高空后，就会直接形成小冰晶，水分子在这些小冰晶中按照一定的规则排列，不能离开自己应在的位置，每个小冰晶都成为一个正六面体。由于六面体的尖角与水汽相接触，水汽就在尖角处继续结晶。晶体生长的也就最快。于是各个夹角上长出一个个新枝杈，最后形成六角形的雪花。
　　不同物质形成晶体时，由于分子的排列不同，会形成不同的外形。就是同一种物质，在不同温度等条件下，形成的晶体外形也会不同。下面的故事就是一例。
　　1867年冬，俄国彼得堡的气温降到了－38℃，这时海关仓库里的一批锡砖突然失踪，放锡砖的地方却堆了一堆灰色的粉末。沙俄军队的锡制大衣扣竟也不翼而飞了。这是怎么回事呢？原来锡砖在常温下是一种形状的晶体，当温度低于－33℃时，锡就会变成另一种灰色粉末状的晶体，使锡砖成为锡灰，这就是所谓的“锡疫”。当温度升高到161℃以上时，锡又会改变成菱形晶体，因为菱形锡晶体很脆，所以又叫做“脆锡”。
　　金刚石和石墨具有截然不同的物理性质，经济价值又十分悬殊，可是它们却是同一元素──碳组成的，只不过是结晶形式不同而已。1799年，法国化学家摩尔沃曾把一颗金刚石转变成石墨，1962年，人们在1500℃以上的高温和很高的压力下，把石墨变成了金刚石。

漫步云涧

霜和干冰

茹自青

初春，晴朗的早晨，往往出现霜冻。霜冻是农业上的一大灾害，人常说：“霜打万顷枯”，特别是春天刚刚返青的麦苗，更怕霜冻侵袭。现在要问：霜冻是怎样形成的？怎样才能防止它呢？ 　　古时候，人们曾错误地认为霜是从天上降下来的。有一个节气叫“霜降”，就是这种错误认识的产物。其实，霜是空气中的水汽遇冷后直接凝华成的固体晶粒。由水汽变成霜，必须具备两个条件：一是空气中要有足够的水汽，二是气温要在0℃以下。早春，气温开始回升。白天，晴朗的阳光晒暖了大地，加剧了水分的蒸发，使大气中包含了足够的水汽。夜间，由于天气晴朗，为大地向外散热提供了很好的条件，结果使气温下降，空气中的水汽相对过剩。凌晨气温最低，当温度降到0℃以下时，水汽便直接凝华到禾苗和草木上，这就形成了霜冻。 　　我国古代农民已有熏烟防霜的经验。晴朗的早晨，当霜冻将要发生的时候，农民们便在田间烧柴熏烟，让缭绕的烟雾笼罩着大地，就像给农作物盖了一层棉被，阻止了地面因继续散热而降温，防止水汽凝华成霜。近年来。我国气象部门研制出一种防霜长效烟幕弹，霜冻到来之前，点燃导火线，一声巨响，霎时间浓烟滚滚，弥漫田野，好像为大地盖上了一层防霜被，使禾苗免受霜冻之灾，如图3－3。 　　与凝华相反，固态直接变成气态的现象叫作“升华”。 　　放在箱子里的卫生球逐渐变小，直到消失，而箱子里却充满了卫生球的气味，这就是一种常见的升华现象。冬天，洗净的衣服凉在室外，衣服里的水凝结成冰，使衣服发硬，可是过一段时间衣服干了，这是因为衣服上的冰完全升华成汽逃走了。 　　物质升华时，要吸收大量的热，利用这个道理，可以获得低温。干冰（即固体二氧化碳）在通常气压下，当温度为－78．9℃时，就要吸热升华。1千克的干冰升华成同温度的二氧化碳气，需要的热量能使137千克的水温度降低1摄氏度。人工降雨，就有干冰的功劳。”当天空的水汽相当多，但因温度较高，不能形成雨时，就可以采用向天空撒干冰的办法，降低温度，实现人工降雨。

漫步云涧

黑和白的热效应

茹自青

取两个完全相同的玻璃瓶，把其中的一个外面涂上黑色。另一个外面涂上白色。然后装进质量相同、温度相同的冷水，并各插入一支温度计，放在太阳下面晒（图3－4）。过一会儿即可发现，温度计的读数不再相同了，放在黑色玻璃瓶里的温度计指示的温度较高。这说明：黑色物体比白色物体吸收辐射热的本领强。 　　把这两个瓶里的水倒掉，重新换上质量相同、温度相同的热水，放到冷藏室里，过一会儿又可发现，两支温度计的读数又不相同了。这一次，放在黑色玻璃瓶里的温度计具有较低的读数。这说明：黑色物体比白色物体向外辐射热的本领强。 　　上面的两个实验告诉我们，热辐射与物体颜色的深浅有关。颜色越深的物体，吸收或者辐射热的本领越强；颜色越浅的物体，吸收或者辐射热的本领越弱。 　　炎热的夏天，人们喜欢穿白色或浅色的衣服，严寒的冬天，人们喜欢穿黑色或深色的衣服，就是为了适应不同的气候。 　　我国西北的高山上终年积有冰雪，山下却经常干旱。解放后，人民政府便派飞机飞到雪山上空，撒下大量的碳屑，给白雪披上黑装，太阳一晒，冰雪就会融化，汇成滚滚的水流，流下山来。 　　近年来，太阳能热水器得到了广泛的应用，它可以利用阳光为人们提供热水。这类装置虽然形式不同，但却有共同的特点：都有一个黑色的采热器。 　　冬天取暖的火炉涂成黑色，是为了增强火炉向周围辐射热的本领。为了降低幻灯机、变压器的温度，也常常把它们涂成黑色，以增强它们向外辐射热的本领。 　　宇宙空间没有大气，宇宙飞船只能靠辐射与外界交换热量，因此飞船“外衣”的颜色必须精心选择。一般飞船的外表面都涂成银白色或浅兰色。当有阳光照射时，由于涂上这种颜色，可以防止飞船温度急剧升高；当没有阳光照射时，又可以起到减弱向外辐射热的作用。在飞船内表面，都涂上黑漆，由于黑色物体吸热和放热的本领都大，这样，卫星向阳面的内侧，因温度较高，容易放热；同时，卫星背阳面的内侧，因温度较低，容易吸热，整个舱内的温度就会比较均衡了。

漫步云涧

受困的“高斯”号轮船

刘仁隆

为了探索南极洲的秘密，“高斯”号轮船于1903年到了南极洲。不巧得很，遇上了大风雪，“高斯”号被冻在一望无边的冰原上，既不能前进，也不能后退。 　　船员们想了许多办法来解脱困境。他们试着用炸药炸，用锯子锯……然而这些努力都是徒劳的。 　　全船的人都陷入了沉思，考虑着还有什么办法可以试试。正在大家无计可施的时候，突然有人向船长建议；把船上的烟灰和煤屑输到冰上，请天空中的太阳帮帮忙，也许会把冰化开，使船脱险。 　　船长对于这个建议虽然很怀疑──南极的太阳光有这样巨大的威力吗？但又想不出别的更好的办法，只好试一试。全船的人都被动员起来了，大家忙着收集黑灰和煤屑，把这些东西运到冰上去，围绕着船铺成了2公里长10米宽的一大圈，并从船的周围一直铺到最近的一条冰缝去。 　　南极的天气和我们这里是不大相同的。在那里，从9月到第二年的3月是白天，3月到9月是黑夜。“高斯”号当然不会在漫长的黑夜到南极去的，因此铺好煤屑之后，连续不断的阳光虽然不能使别的冰发生变化，而煤属下的冰层却逐渐熔解了。受困的“高斯”号终于恢复了自由，向着预定的目标前进。