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冰晶

原圖鏈接

中文名：冰晶 本質：固態水合物

冰晶（英語：ice crystal）是冰的宏觀晶體形式。冰晶在光學及電學等物理性質方面有各向異性，並且具有較高的介電常數。冰晶常呈六角柱狀、六角板狀、枝狀、針狀等形狀，由於大氣中的冰晶一般由水蒸氣凝華產生，因此具有非常對稱的外型。在不同的環境溫度和濕度中，可以產生不同的對稱外形。當環境因素改變時，冰晶的形成方式也可能會改變，因此最終形成的晶體可能是多種樣式混合而成的，例如冠柱晶。空中的冰晶下落時傾向以其側棱平行於地平線，因此能以增強的差動反射率在偏振天氣雷達信號（polarimetric weather radar）中被發現。冰晶帶電後，下落的方向便不再平行於地平線。帶電的冰晶也很較容易被偏振天氣雷達檢測出來。

結構

宏觀的冰是多晶的，所以在研究冰的晶體結構時使用的往往是單晶的冰晶。1916年末，人們開始利用X射線衍射法對冰晶的結構進行一系列的探究。研究中獲得的照片有12條清晰的衍射線，分析其位置可以得知冰晶屬於六方晶系晶體。如左側的冰晶結構示意圖一所示，冰晶晶胞呈四稜柱形，的底面邊長為4.52Å，高為7.34Å。冰晶分子排列的方式與金屬鎂晶體屬同一晶系，但是通過X射線衍射法可以得知冰晶與金屬鎂在結構上還是有很大差別的。下表是大衛·馬蒂亞斯·丹尼森（David Mathias Dennison，美國物理學家，後來計算出質子服從費米–狄拉克統計，擁有½自旋）於1921年對冰晶進行X射線衍射實驗獲得的結果：

冰晶X射線衍射圖數據表

相鄰線之間的偏角 （度數）	線的強度 （估算值）	用作對比的鎂線	晶面間距		晶面取向	基面的數量
			觀測值	理論值
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

應用

降雪

極小的冰晶和0℃以下的過冷卻水滴組成雲層，水氣不斷升騰與冰晶凝華，水溫達－5℃時，無數根六角形的冰針就形成了。這是冰晶最穩定的形狀。同時，凝華作用還在繼續進行。如果冰晶周圍水氣多，6個角增長很快，就形成星狀；假如冰晶四周水氣很少，6角不如兩個底面增長快，便形成柱狀；倘若水氣適中，則形成片狀雪花。如果地面氣溫較高，雪降落過程中邊融化邊碰撞合併為水滴，最終成為降雨。

製冷設備

該產品外殼採用高強度耐低落溫材料，內盛蓄冷液（白色稠液體）而成（冰點－12℃，即零下12度結冰，冰點比水的冰點低，故儲存的冷量和溶解時釋放出的冷量都遠遠大於水，直接起到增強降溫製冷之用，具有儲冷足、降溫快、釋冷慢等特點。），採用橡膠塞加鋁蓋密封不會泄漏，無毒，符合衛生標準，儲冷量大，廣泛適用於各種冰箱、冷櫃、魚箱作、醫藥儲冷保冷；如今被廣泛用於空調扇增強降溫製冷之用（先將冰晶放進冰箱冷凍5到6小時結冰後，再放入空調扇水箱內降溫，循環使用，永不失效）。成分是冷媒： （——以下是是把載冷劑和製冷劑統稱冷媒） 冷凍空調系統中，用以傳遞熱能，產生冷凍效果之工作流體。依工作方式分類可分為一次(Primary)冷媒與二次(Secondary)冷媒。依物質屬性分類可分為自然(Natural)冷媒與合成(Synthetic)冷媒。 理想冷媒：無毒、不爆炸、對金屬及非金屬無腐蝕作用、不燃燒、泄漏時易於察覺、化學性安定、對潤滑油無破壞性、具有較的蒸發潛熱、對環境無害 。

形成

冰晶的形成發生在雲層中、雲層下和地表層，並由多個物理過程組成。在冰晶的形成過程中，冰核是必不可少的（其中大氣中懸浮的塵埃顆粒占了70%），在冰核上過冷水滴凝固生長成冰晶。要形成冰晶首先要活化冰核，也就是使冰核能形成冰晶，不同冰核活化的溫度不同。溫度下降後，活化的冰核數量增加。冰核活化後，由於伯傑龍效應（Bergeron effect），大氣中的過冷的水蒸氣會在冰核上凝華使冰核增長形成冰晶。以上的過程與大氣中的溫度和濕度有密切聯繫，在不同環境中形成的冰晶形狀是有差異的。在冰晶下降過程中會經過各種不同的溫度和濕度的環境，因此最終形成的形狀往往是各種基本形狀的結合體。冰晶的大小與其在雲層中停留的時間、溫度和氣壓還有冰的過飽和程度有關。

融化與破裂

冰晶受熱後轉化為液態水的過程一般稱為「融化」。大氣中冰晶雪花的融化率決定了地表面上的降水類型。在下降過程中，冰晶經過0℃等溫線時開始融化，大多數的冰晶在未融化時帶有正電荷而融化時帶電符號改變。

通過在處於不同融化階段的冰晶置於-78.5℃的乙烷中凍結可以得知：冰晶融化的方式主要取決於晶體的初始類型，並可概括出兩種基本方式：

• 柱狀冰晶的融化：通常簡單柱狀冰晶開始時表面上的融化一致的，隨後逐漸形成不同厚度的水層，在柱狀晶的中心形成一個或兩個明顯的氣泡，再進一步融化時，產生的水會形成一個清晰的水滴，附着在水滴上的柱狀晶體快速進入水滴中，最終形成一個球形滴。柱狀冰晶融化水有收縮成一個或多個水滴的趨勢，且趨向於收縮至最小表面積；

• 板狀冰晶的融化：板狀冰晶融化時，融化水形成覆蓋於板上的光滑圓面。而板狀冰晶則沒有縮成單個水滴的趨勢，而是從板狀冰晶融化的水層形成雙凸鏡帶冰狀，限定冰晶的周邊。

中國氣象學家龔乃虎於1982年在美國猶他大學做「為延長冰晶生長的微物理風洞實驗」時獲得了冰晶與溫度、形狀、大小、生長時間、下降速度及融化後質量的資料，並總結出冰晶在不同溫度下融化的規律。在該實驗中獲得的數據見下表：

垂直風洞內懸浮生長冰晶溫度、生長時間、尺寸、含水量、融化後質量及破裂碎滴數

溫度（℃）	生長時間	尺寸（mm）		含水量 （LWC）	質量（μg）	下落速度 （cm/s）	融化前後滴數	備註
		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	鞘狀
-5.0	13	0.05	1.2	0.5	2.3		2:14	雙針狀
-5.1	19	0.22	0.42	0.5	1.15	36	3:4	三疊合針狀
-6.2	19	0.50	0.48	0.5	8.18	54	2:1	雙柱凇晶
-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

大氣現象

冰晶是多種大氣現象的成因，這些大氣現象主要包括雲、降水及冰暈。氣溫達-5℃時高空中便會形成六角形的冰針。同時，韋格納–伯傑龍–芬德森過程（Wegener–Bergeron–Findeisen process）繼續進行，過冷水蒸發產生的蒸氣在冰晶上凝華。若冰晶周圍水氣多，則垂直於光軸的六個角增長較快，就形成板狀冰晶；若冰晶周圍較乾燥，則平行於光軸的兩個底面增長較快，便形成柱狀冰晶；若水氣適中，則形成片狀雪花，上述三者都以降雪的形式落向地面。但如果地面氣溫較高，雪降落過程中冰晶會發生融化，並相互碰撞合併為雨滴，成為降雨。