在寒冷的冬天，许多地方都会下雪。面对纷纷扬扬飘落的雪花，你有想过它们是如何产生的吗？为什么下雪的时候从天下掉下来的是美丽的六边形雪片而不是一颗一颗的冰粒？今天我们就从科学的角度讨论雪花是如何生成的。
高空的云层
雪花诞生于高空中寒冷的云层。在我们的大气层的有些区域充满着水分子，这些水分子通常是由地面水气蒸发上升到空中，再经由大气流动输送聚集到一起，它们在空气里呈现饱和状态。随着温度降低到露点，水分子的振动速度减慢，慢慢地聚拢在一起形成一个一个的小液滴，这种现象被称为“结露”，于是我们看见了雾或云。由于范德华力的作用，空气中的小液滴相互之间会保持一定的距离，随着温度的进一步降低，水冷凝的速率大于其蒸发的速率，云中的水滴会越来越多，云也会越来越浓厚。
如果空气非常干净，没有灰尘充当凝结核，即便是温度下降到-38℃，云层中的小水滴也不会结冰，它们被称为过冷水。但云层中或多或少都存在一些细小的颗粒物，于是一部分过冷的水滴会附着在这些颗粒物上，迅速凝结成小冰晶。所以，在寒冷的冬天，我们头顶上的云层里便充斥着无数个小冰晶和过冷的小水滴。事实上，即便是在盛夏，因为高空云层的温度低于0℃，这里的云层中也一样存在许多小冰晶和过冷的小水滴，冰雹就是在这样的云层中形成的。
冰核形成
无论是小小的雪片还是硕大的冰雹，它们都是从云层中一粒小小的冰核开始的。
在寒冷云层中尽管有无数多的小水滴，随着云的流动，小水滴会不可避免地发生相互碰撞，但碰撞常常并不能使它们聚集成一个更大的水滴，这是因为水滴表面的水分子由氢键的力来相互拉扯在一起，形成表面张力。水的表面张力会在一定程度拒绝其它分子“加塞”，从而使水滴保持相对稳定的状态。
我们在前节提到，寒冷云团中存在着一些冰晶，相对于水滴来说，冰的饱和蒸气压更低。云层中的水蒸气在与水滴相互作用时可能会处于100％相对湿度的饱和状态，但是当与冰粒相互作用时，相同量的水蒸气会过饱和。水蒸气将试图恢复平衡，因此多余的水蒸气会在冰晶颗粒表面凝结成冰，于是这些冰晶会越长越大，进而形成冰核。
现在你明白了，在冷云中，水滴不容易聚集，但冰晶比较容易长大。这个过程通常只在0℃~-38℃的温度范围内发生，当温度低于-38℃时，云中的过冷水滴会自发地凝结成冰晶，不再需要灰尘充当凝结核。
雪花的成长
我们知道，由于水分子之间结合方式不同，冰的密度低于水。因此在云层饱和的水蒸气里，冰晶会更轻，它漂浮在云层中，不容易掉落下来，这也为冰晶的长大创造了条件。
随着水蒸气在冰晶表面凝结成冰，冰晶长大成为冰核，它的表面积也越来越大并开始下降，这使得冰核有更多的机会与周围的水分子和小水滴碰撞，过冷的小水滴碰到冰核后会快速蒸发并通过气相沉积在冰的表面结晶。
最初形成的冰晶是六边形的棱柱体，这是由水分子相互之间结合排列方式决定的。随着冰晶在云层中翻滚运动，它周围的水分子有相同的机率在冰晶表面凝结，并在其六个角上均匀生长，于是我们看到的雪花大多呈规则的六角薄片形状。事实上并不是所有雪花都呈现六个角，自然界的雪花有许多是12个角，这是由两片雪花在云层中相互碰撞粘合形成的。
雪花的形状
雪花的最终形状取决于它在云层中运动的路径，由于没有两片雪花走的路径完全相同，因此世界上不存在两片形状完全相同的雪花。
雪花的每个角都独立生长，它们之所以看起来非常相似，对于同一片雪花来说，它所有的角在云层中所处的环境都非常类似，周围的水分子可以有近似的条件在雪花的枝杈上结晶。
但如果你仔细观察大多数雪花，也总能找出细微的差异，雪花在云层中生长的速度越快，这些枝杈的形状差异就越大。大多数拥有蕨叶枝杈的雪花生长的速度都比较快，因此你可以很容易地从它上面找到不对称和不规则的地方。
鹅毛大雪
最大的雪片仅有一元硬币大小，我们常见的“鹅毛大雪”通常是雪片在下落的过程中互相碰撞粘连形成的。当雪花离开寒冷的云层开始下降，下方稍暖的空气会加热它，使其表面温度升高，在环境温度达到-5℃左右时，冰开始融化，使雪片表面潮湿并具有粘性。不同速度下落的雪片相碰时会粘接在一起形成更大的团簇，粘接的雪片越多，雪花就越大，最大的雪花据说可以达到38厘米宽。
总结：
所有的雪花都诞生于高空寒冷潮湿的云层之中。云中的水分子因为低温凝聚成细小的水滴，随着温度的进一步降低，一部分与灰尘凝结成冰晶，另一些过冷的水滴会凝结在这些冰晶上形成冰核，进而长大成雪花。
由于冰中水分子排列的缘故，冰晶大多呈现六棱柱的形状，水分子在六棱柱表面生长，使得雪花大多呈六角形，但雪花的形状与它生长环境的温度、湿度和生长速度密切相关。鉴于云层中混沌的状态以及运动轨迹的差别，世界上并不能找到两片完全相同的雪花，也不会产生完全对称和规则的雪片。
混乱和秩序都存在于雪花的生长过程中，这就是雪花图案如此迷人的原因
