雪晶生成过程机理

    1 前言

    在自然界中,雪是固态的大气降水。降雪形成过程包括三个阶段:晶核的形成,雪晶的生长和融合,雪花的自然沉降。受晶核种类、雪晶发育和生长环境条件的影响,自然界中形成的雪花形态各异。早期的研究者主要通过拍摄自然雪晶的图片来研究雪晶形成的机理。日本的中谷宇吉郎教授深入地阐明了雪晶开头与生长环境的关系[1],在1936年成功地生长出了/人造雪晶0,在探索雪晶形成机理领域开创了新的篇章。研究者们通过研究发现雪晶生长条件的细微变化,特别是温度和过饱和度,都会使雪晶的形态发生复杂的变化。经过多年不懈的研究,人们对雪晶的形成、生长、形态特征等问题有了进一步的理解。

    本文通过对冰核的成核机理、冰晶的分子结构、雪晶的生长过程以及影响因素等进行综合论述,并进行了实验研究,目的在于分析促进晶核形成和雪晶生长的方法,为新型人工造雪设备的发展提供理论依据。

    2 冰晶的成核机理

    晶核是水蒸汽的晶化核心,是雪晶形成所必需的/催化剂0。雪晶是水蒸汽在晶核上凝固结晶所形成的具有六角对称结构的冰晶单体。雪花是雪晶不断吸附水蒸汽,长大形成的具有分枝结构的单晶或单晶的聚合物。

    在结晶过程中,母相中产生稳定的新相核的过程称为成核过程。从有无外界物质影响的角度来看,成核过程可以分为均相成核和异相成核两种形式:

    2.1 均相成核

    均相成核是指在一个完全不受外来微粒和表面影响的体系内,各个部分的成核几率均相等,由于能量和密度的随机起伏可能使几十或几百个原子或分子随机聚集为新相的集团[2]。在没有其他物质存在的条件下,纯水蒸汽由于热起伏自发结晶的现象即为冰晶的均成核。理论上讲,温度低于40℃时,纯水蒸汽就可以发生均相成核,所以当温度低于-40℃时,大气中不存在过冷水雾[3]。

    冰晶的均相成核过程主要由热力学条件决定。冰核在液相水中形成将使系统的自由能发生变化,一方面由于从高能量态(液相)向低能量态(固相)转变,使系统自由能降低,自由能的变化与冰核的体积有关;另一方面由于所形成的新相相界表面需要能量,结果使自由能增加,自由能的变化与冰核的表面积有关。为了加以区分,将前者称为体积自由能变化量ΔGv,后者称为表面自由能变化量ΔGs。系统总的自由能变化量ΔG为这两种自由能变化量的代数和(ΔGv+ΔGs)。

    微小液滴发生相变形成冰核以后,并非所有冰核都能成长,只有半径大于临界半径r*的冰核才能形成稳定的新相并生成冰晶[2]。这时,冰核的体积自由能变化量超过了表面自由能变化量,系统总自由能下降,此时系统自由能的变化量称为临界自由能变化量ΔG*,如图1所示。