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【解動學堂】這才是真的雪! 六角結晶是氫鍵的傑作 (動畫)

每逢強烈寒流來襲,台灣高山地區降雪機率高,吸引賞雪人潮上山追雪。然而固態的降水不一定都是「雪」,因為雪是水在高空形成的結晶,而且會有六角形晶體結構,形成的原因在於水分子的氫鍵特性;至於其他類似的形態,可能是「霰」、「雵」、「冰珠」,或者是在地面才結冰的「凍雨」、「霧淞」或「霜」。根據世界氣象組織的定義,雪必須是六角形的冰結晶;而且六角形的主結構,還是由無數個微小的六角形共同拼湊而成,這樣的結晶結果,也就是俗稱的雪花。雪即是水,水分子含一個氧原子和兩個氫原子,而氫原子在某些分子當中,會和鄰近原子相互吸引,這項特殊的作用力稱為「氫鍵」;在水分子當中,氫原子即會被鄰近分子上的氧原子所吸引。根據強‧尼爾森在結晶學權威期刊《晶體成長與設計》發表的研究,雪的結晶會形成六角形,是因為「雪」結晶過程中,氫鍵會有不尋常的彈性,讓水分子上兩個氫原子的夾角,會從原本的104.5度變成120度,當所有原子的夾角都是120度時,就必然會成為正六角形(正六角形的每個內角角度即120度)。台灣山區冬天除了可以見到「雪」,還包括「霰」,是0.2到0.5公分的鬆軟球體,由雪花在降落過程中融化,又遇到過冷水滴「撞凍」形成。「雵」則是指降雪和降雨同時混合出現,當中有大量雪花會在降落過程中就融化。「冰珠」略小於冰雹,呈光滑透明顆粒狀,落地又會發出清脆聲響,是高空的雪花落地前融化,又在接近地面時再度結凍而成。另外,雪花融化的過冷水滴、小水滴或水氣,接觸到地表仍然零度以下的植物或岩石,則會分別瞬間凝結成「凍雨」、「霧淞」,或凝華形成「霜」。(網路中心 李衡昕/綜合報導)
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雪花的結晶,是以大大小小的正六角形共同組成的。

雪結晶過程,氫鍵會有不尋常的彈性,讓水分子上兩個氫原子的夾角變成120度,讓整個結晶體展現成正六角形。

雪花在降落過程中融化,又遇到過冷水滴撞凍,形成0.2到0.5公分的鬆軟球體叫作「霰」。

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