雪花形成是一个精密的物理过程，需要特定的水汽条件、温度条件和凝结核。其原理涉及水汽凝结、冰晶成核、冰晶生长、冰晶聚合等多个阶段。以下是完整的原理：
🌨 一、雪花形成的必要条件
水汽过饱和：
- 空气必须含有足够的水蒸气。
- 相对湿度需要达到或超过100%（过饱和），这是水汽凝结成液态或固态的先决条件。在冰晶形成时，相对于冰面的饱和水汽压低于相对于水面的饱和水汽压，这为冰晶生长提供了优势（贝吉隆过程）。
低于冰点的温度：
- 环境温度必须低于0°C（32°F）。这是水能够冻结的基本要求。
- 然而，纯水在0°C以下（甚至低至-40°C）可以保持液态而不结冰，这种状态称为过冷水。雪花形成需要打破这种亚稳态。
凝结核：
- 光有水汽和低温还不够。水分子需要附着在某种微小的固体颗粒表面才能开始凝结或冻结。
- 冰核： 这是雪花形成最关键的一类凝结核。冰核是一种特殊的微粒（如某些粘土矿物颗粒、细菌代谢物、火山灰、甚至宇宙尘埃），其表面结构或化学性质能有效降低冰晶形成的能量壁垒，促使水分子在远高于纯水均质成核温度（约-40°C）的情况下（通常在-5°C到-20°C之间）就冻结成冰晶。没有冰核，水汽更倾向于形成过冷水滴而不是冰晶。
上升气流：
- 虽然不是直接形成冰晶的条件，但微弱的上升气流对雪花的形成和生长至关重要：
- 它维持云中的过饱和状态，持续提供水汽。
- 它让微小的冰晶和过冷水滴悬浮在云中更长时间，有充分的机会生长和碰撞聚合。
- 过强的上升气流可能导致冰晶被带得太高或形成冰雹，过弱则冰晶会过早下落融化。
❄ 二、从水汽到雪花飘落的完整原理
水汽过饱和与凝结核活化：
- 潮湿空气上升（例如遇到山脉锋面或对流），随着高度增加，气压降低，空气膨胀冷却。
- 冷却导致空气容纳水汽的能力下降，相对湿度升高直至超过100%，形成过饱和状态。
- 过饱和水汽开始寻找表面凝结。大气中的凝结核（包括能作为冰核的颗粒）被活化。
冰晶成核：
- 在温度低于0°C的云层（通常是中高云，如卷云、高层云、雨层云、积云）中，过饱和水汽遇到有效的冰核。
- 水分子在冰核表面有序排列，形成微小的初始冰晶（晶核）。这个过程称为异质成核。这是雪花诞生的起点。
冰晶生长（凝华）：
- 一旦冰晶形成，由于冰面饱和水汽压低于水面饱和水汽压，在过饱和环境中，水汽分子会优先从气相直接沉积到冰晶表面（凝华），而不是凝结成过冷水滴。这导致冰晶不断长大。
- 温度决定形状： 冰晶的生长方式（最终形状）强烈依赖于环境温度（以及水汽过饱和度）：
- -2°C 至 -10°C： 主要形成薄片状、六角板状冰晶。
- -10°C 至 -22°C（最佳-15°C左右）： 最利于形成复杂、精致的枝状冰晶（我们通常认为的典型雪花形状）。
- 低于 -22°C： 倾向于形成柱状、针状冰晶。
- 接近 0°C： 可能形成较厚的板状或集合体。
- 水汽供应： 持续的水汽过饱和是冰晶生长的关键。上升气流不断输送水汽。
碰并增长（贝吉隆过程）：
- 在混合云（同时含有过冷水滴和冰晶）中，冰晶和过冷水滴共存。
- 由于冰晶表面的饱和水汽压低于过冷水滴表面的饱和水汽压，水汽会从过冷水滴蒸发，然后扩散并凝华到冰晶上。这导致冰晶加速生长，而过冷水滴逐渐缩小甚至消失。这是冰晶增长的一个重要机制，尤其在-10°C到-20°C之间非常有效。
冰晶聚合：
- 微小的冰晶在云中飘浮碰撞。在温度接近0°C时（尤其是-5°C到0°C），冰晶表面可能有一层极薄的准液态水膜，或者冰晶尖端带有微弱电荷，这增加了它们碰撞后粘连在一起的概率。
- 多个冰晶（可能是相同或不同形状的）通过这种方式结合，形成更大的、结构复杂的雪花。这是形成我们常见的大片雪花的主要方式。
雪花形成与成熟：
- 通过持续的凝华、碰并和聚合，单个冰晶或聚合体生长到足够大（通常直径大于0.5毫米），才能被称为雪花。其形状由生长路径上的温度、湿度历史决定，因此每片雪花都独一无二。
雪花飘落：
- 当雪花的重量（主要是由于聚合增大）克服了微弱的上升气流托举力时，它就开始向地面降落。
- 在下落过程中，雪花会继续经历：
- 进一步生长/改变： 穿过不同温度、湿度的云层，可能继续凝华、碰并或聚合。
- 部分融化/升华： 如果穿过高于0°C的空气层（暖层），雪花表面会融化，可能变成湿雪、雨夹雪或完全融化成雨滴。如果穿过干燥空气层，雪花会升华（变小）。
- 保持形态： 如果从云底到地面的整个气柱温度都保持在0°C或以下，雪花就能以干燥、蓬松的状态飘落到地面。
降雪：
- 大量雪花成功降落到地表，就形成了降雪。能否在地面积雪，取决于地表温度是否低于冰点。
📌 总结关键点
- 起点： 过饱和水汽 + 低于0°C的温度 + 冰核 → 冰晶成核。
- 生长：
- 凝华： 水汽直接到冰晶（主因）。
- 碰并（贝吉隆）： 冰晶“抢夺”过冷水滴的水汽。
- 聚合： 冰晶粘连成雪花（形成大雪花的关键）。
- 形状： 由生长环境（主要是温度）决定。
- 飘落： 重量 > 上升气流托力。
- 落地： 维持固态需近地面温度≤0°C。
雪花是自然界中水分子在特定大气条件下，经历复杂物理过程（成核、凝华、碰并、聚合）形成的精美冰晶聚合体，其形成是气象学中一个非常迷人的课题。❄️
