冰晶

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。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：如上方冰晶结构示意图二所示，冰晶是由多层以六边形网格状排列的水分子组成的，其中每片单层冰晶都被称作“基面”（basal plane），冰晶基面的法线称为冰晶的“光轴”或“c轴”。基面以垂直于光轴的方式叠加、结合。因为同基面的水分子之间通过较强的氢键相连，而相邻基面的水分子则以较弱的范德华力相连，所以不同基面间容易出现滑移。若要以方向平行于光轴的力破坏冰晶，则施予的压力需要比使基面发生滑移的力高两个数量级。过冷的微小水滴接近物体时能凝固形成冰晶，如凝结在植物枝叶上的雾凇等。此时的冰晶仍由微小的晶体组成，并非无定形冰（amorphous ice），但不具有规整的形态。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。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：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：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。由于每个冰晶有上下两个底面和6个侧面，再加上冰晶在大气中随机分布并且没有固定的方向，光的入射面、入射角度、在冰晶中的路径、反射面、反射角度、出射面和出射角度也就存在差异，这导致了各种各样晕的现象的形成。晕同时也征兆着各种天气现象，例如：日晕的出现说明高空空气质量良好气流稳定，而带有冰晶的卷层云通常是冷暖气团相遇后形成的，随着云层的不断变厚，高层云也逐渐形成，预示着将出现降雨。