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冰晶

原图链接

中文名：冰晶 本质：固态水合物

冰晶（英语：ice crystal）是冰的宏观晶体形式。冰晶在光学及电学等物理性质方面有各向异性，并且具有较高的介电常数。冰晶常呈六角柱状、六角板状、枝状、针状等形状，由于大气中的冰晶一般由水蒸气凝华产生，因此具有非常对称的外型。在不同的环境温度和湿度中，可以产生不同的对称外形。当环境因素改变时，冰晶的形成方式也可能会改变，因此最终形成的晶体可能是多种样式混合而成的，例如冠柱晶。空中的冰晶下落时倾向以其侧棱平行于地平线，因此能以增强的差动反射率在偏振天气雷达信号（polarimetric weather radar）中被发现。冰晶带电后，下落的方向便不再平行于地平线。带电的冰晶也很较容易被偏振天气雷达检测出来。

结构

宏观的冰是多晶的，所以在研究冰的晶体结构时使用的往往是单晶的冰晶。1916年末，人们开始利用X射线衍射法对冰晶的结构进行一系列的探究。研究中获得的照片有12条清晰的衍射线，分析其位置可以得知冰晶属于六方晶系晶体。如左侧的冰晶结构示意图一所示，冰晶晶胞呈四棱柱形，的底面边长为4.52Å，高为7.34Å。冰晶分子排列的方式与金属镁晶体属同一晶系，但是通过X射线衍射法可以得知冰晶与金属镁在结构上还是有很大差别的。下表是大卫·马蒂亚斯·丹尼森（David Mathias Dennison，美国物理学家，后来计算出质子服从费米–狄拉克统计，拥有½自旋）于1921年对冰晶进行X射线衍射实验获得的结果：

冰晶X射线衍射图数据表

相邻线之间的偏角 （度数）	线的强度 （估算值）	用作对比的镁线	晶面间距		晶面取向	基面的数量
			观测值	理论值
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

应用

降雪

极小的冰晶和0℃以下的过冷却水滴组成云层，水气不断升腾与冰晶凝华，水温达－5℃时，无数根六角形的冰针就形成了。这是冰晶最稳定的形状。同时，凝华作用还在继续进行。如果冰晶周围水气多，6个角增长很快，就形成星状；假如冰晶四周水气很少，6角不如两个底面增长快，便形成柱状；倘若水气适中，则形成片状雪花。如果地面气温较高，雪降落过程中边融化边碰撞合并为水滴，最终成为降雨。

制冷设备

该产品外壳采用高强度耐低落温材料，内盛蓄冷液（白色稠液体）而成（冰点－12℃，即零下12度结冰，冰点比水的冰点低，故储存的冷量和溶解时释放出的冷量都远远大于水，直接起到增强降温制冷之用，具有储冷足、降温快、释冷慢等特点。），采用橡胶塞加铝盖密封不会泄漏，无毒，符合卫生标准，储冷量大，广泛适用于各种冰箱、冷柜、鱼箱作、医药储冷保冷；如今被广泛用于空调扇增强降温制冷之用（先将冰晶放进冰箱冷冻5到6小时结冰后，再放入空调扇水箱内降温，循环使用，永不失效）。成分是冷媒： （——以下是是把载冷剂和制冷剂统称冷媒） 冷冻空调系统中，用以传递热能，产生冷冻效果之工作流体。依工作方式分类可分为一次(Primary)冷媒与二次(Secondary)冷媒。依物质属性分类可分为自然(Natural)冷媒与合成(Synthetic)冷媒。 理想冷媒：无毒、不爆炸、对金属及非金属无腐蚀作用、不燃烧、泄漏时易于察觉、化学性安定、对润滑油无破坏性、具有较的蒸发潜热、对环境无害 。

形成

冰晶的形成发生在云层中、云层下和地表层，并由多个物理过程组成。在冰晶的形成过程中，冰核是必不可少的（其中大气中悬浮的尘埃颗粒占了70%），在冰核上过冷水滴凝固生长成冰晶。要形成冰晶首先要活化冰核，也就是使冰核能形成冰晶，不同冰核活化的温度不同。温度下降后，活化的冰核数量增加。冰核活化后，由于伯杰龙效应（Bergeron effect），大气中的过冷的水蒸气会在冰核上凝华使冰核增长形成冰晶。以上的过程与大气中的温度和湿度有密切联系，在不同环境中形成的冰晶形状是有差异的。在冰晶下降过程中会经过各种不同的温度和湿度的环境，因此最终形成的形状往往是各种基本形状的结合体。冰晶的大小与其在云层中停留的时间、温度和气压还有冰的过饱和程度有关。

融化与破裂

冰晶受热后转化为液态水的过程一般称为“融化”。大气中冰晶雪花的融化率决定了地表面上的降水类型。在下降过程中，冰晶经过0℃等温线时开始融化，大多数的冰晶在未融化时带有正电荷而融化时带电符号改变。

通过在处于不同融化阶段的冰晶置于-78.5℃的乙烷中冻结可以得知：冰晶融化的方式主要取决于晶体的初始类型，并可概括出两种基本方式：

• 柱状冰晶的融化：通常简单柱状冰晶开始时表面上的融化一致的，随后逐渐形成不同厚度的水层，在柱状晶的中心形成一个或两个明显的气泡，再进一步融化时，产生的水会形成一个清晰的水滴，附着在水滴上的柱状晶体快速进入水滴中，最终形成一个球形滴。柱状冰晶融化水有收缩成一个或多个水滴的趋势，且趋向于收缩至最小表面积；

• 板状冰晶的融化：板状冰晶融化时，融化水形成覆盖于板上的光滑圆面。而板状冰晶则没有缩成单个水滴的趋势，而是从板状冰晶融化的水层形成双凸镜带冰状，限定冰晶的周边。

中国气象学家龚乃虎于1982年在美国犹他大学做“为延长冰晶生长的微物理风洞实验”时获得了冰晶与温度、形状、大小、生长时间、下降速度及融化后质量的资料，并总结出冰晶在不同温度下融化的规律。在该实验中获得的数据见下表：

垂直风洞内悬浮生长冰晶温度、生长时间、尺寸、含水量、融化后质量及破裂碎滴数

温度（℃）	生长时间	尺寸（mm）		含水量 （LWC）	质量（μg）	下落速度 （cm/s）	融化前后滴数	备注
		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	鞘状
-5.0	13	0.05	1.2	0.5	2.3		2:14	双针状
-5.1	19	0.22	0.42	0.5	1.15	36	3:4	三叠合针状
-6.2	19	0.50	0.48	0.5	8.18	54	2:1	双柱凇晶
-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

大气现象

冰晶是多种大气现象的成因，这些大气现象主要包括云、降水及冰晕。气温达-5℃时高空中便会形成六角形的冰针。同时，韦格纳–伯杰龙–芬德森过程（Wegener–Bergeron–Findeisen process）继续进行，过冷水蒸发产生的蒸气在冰晶上凝华。若冰晶周围水气多，则垂直于光轴的六个角增长较快，就形成板状冰晶；若冰晶周围较干燥，则平行于光轴的两个底面增长较快，便形成柱状冰晶；若水气适中，则形成片状雪花，上述三者都以降雪的形式落向地面。但如果地面气温较高，雪降落过程中冰晶会发生融化，并相互碰撞合并为雨滴，成为降雨。