2016年3月7日

銀白世界下的祕密—冰相粒子大不同

作者/蘇世顥〈任職於文化大學大氣科學系。在半年都是冰天雪地的環境中完成學業,研究包含雲微物理在內之各種大氣物理現象。希望能傳達正確的天氣與氣候科普知識給一般大眾。〉
今年一月份臺灣地區經歷了有紀錄以來最強大的寒流,導致本來在臺灣十分罕見的銀白世界出現在全臺各地。在新聞媒體終日強烈放送之下,原本陌生的專有名詞「霰」、「雹」或「冰珠」都相繼攻佔各大新聞的版面,大家也才瞭解到原來在低溫環境中所形成之冰相粒子不是只有「雪」而已。但是這些冰相粒子有何不同?為何在不同環境下我們觀察到的冰相粒子型態會有不同呢?

空氣中的水物
首先我們要很快的瞭解一下,大氣中存在哪些與水直接相關的物質(水物,water substance)?如表一,我們依照水物相態與在垂直方向上運動的速度進行分類,大致上可分為水氣(vapor)、雲滴(cloud droplet)、雨滴(rain drop)、冰晶(ice crystal)、雪(snow)、霰(graupel)與雹(hail)。這些水物之間的特性與形成的原因都有所不同,但大氣中要形成冰則只有兩種機制,一種是液態水凍結(freeze)形成冰,另一種則是由氣態的水氣直接凝華(desublimation)所致。所以無論是形成冰晶或是後續冰相粒子的成長過程,都必須要考慮這兩種機制的作用。所以下面我們就會仔細討論這兩種過程,在「雪」、「霰」、「雹」的成長過程中扮演的角色。



在這波寒流中很多地方都變成了銀白世界,但是很多時候我們看的並不是雪花而是另一種冰相粒子「霰(Graupel)」,那什麼是「霰」?這個字在古代中文是指落到地面上的不透明(白色)小冰粒,而且霰下落的速度比雪快,所以在《桃花扇》中就有一段文字「飛綿作雪,落紅成霰」就是在告訴我們兩者是不同的冰相水物。早期翻譯英文中Graupel 這種下降速度較快且表面不透明的小冰粒時,當時科學家直接想到描述相同水物的中文字「霰」,這是十分傳神與恰當的翻譯。英文中Graupel的同義詞為soft hail、snow pellets、tapioca snow 或Grail,所以中文翻譯時有些人也會用「軟雹」或「雪丸」來取代比較難發音的霰。純粹從翻譯的角度來看這樣的用法並無不妥,甚至更貼切的點出霰的形成原因和冰雹或雪花有所關聯。那霰的形成原理是什麼呢?

霰怎麼形成?
「霰」與「雹」的形成過程類似,基本上都是由大的冰晶或雪花做為成長的核心,當這些冰晶下落的過程中與過冷水滴(super cool droplets) 發生碰撞, 過冷水滴碰撞到冰晶時會發生瞬間凍結,這也就是我們所謂的淞化(Riming,圖一),而這整個過程則稱為撞凍(accretion)。過去我們時常在新聞上看到的霧淞(圖二),就是過冷水滴碰到固體表面瞬間凍結所產生的淞化現象,過程中僅有液態與固態間的轉換過程。這與過去在冬季常看到在樹葉或草上的霜(frost)並不相同,霜的成因是空氣中水氣在低溫的環境下,水氣分子直接凝華為固態,這過程中並沒有液態水的參與,所以說兩者的成因完全不同,不可以混為一談。

由前面所述可知霰成長主要是由於很多過冷水滴的撞凍過程所導致,所以在所形成的冰裡面會有很多空隙與空氣,這樣的過程造成粒子的密度較低。但是如果這樣的粒子出現在強對流區,粒子下落過程中表面的冰可能因為環境溫度高於冰點而融化為液態水,但強對流區的上升氣流會把這些粒子再度向上帶到零度線以上,而發生再次凍結,所以表層的空隙會因為融化在凍結的過程被填滿,這樣所形成的冰相粒子就是密度較高的冰雹,而新聞中的冰珠其實就是小冰雹(small hail)。霰的表面也有可能融化,如果地表環境溫度不夠低,在下落的過程中霰的表面可能因融化再凍結,而形成一個相對堅硬的外殼,這也是為何有些霰落到地表時會彈跳的原因。但利用落地時是否會彈跳來判斷是否為霰也不夠準確,因為有些沒有經過融化過程的霰並不會彈跳,甚至落地時會直接碎裂。但是由這些介紹中,我們可以知道地表環境的溫度也是影響我們能觀察到哪一種冰相粒子的重要因素。

如何分辨是霰還是雪?
部分的新聞媒體報導可以用溫度來判斷落到地表的是霰或是雪,他們的說法是:「當溫度高於0℃時在落下的都是霰,而在-5℃ ~0℃之間所落下的則是雪」,但這樣的講法其實並不準確。正確的說法應該是發生這些現象時「近地表的溫度區間」會影響落至地表之冰相粒子型態,其原因在近地表的溫度會影響冰相粒子融化的速率,而粒子是否可以維持冰相粒子的型態到達地表,則受到粒子的大小與垂直落下的速度影響。

以雪來說,雪的終端速度比較慢,落至地表所需的時間也較長;當近地表溫度不夠低時,往往在下落過程中就會融化成雨滴;反觀霰因為終端速度大,下降的速度比較快,即便是地表溫度未達0℃,也可以維持冰粒的型態到地表不會完全融化;密度更高且終端速度更快的冰雹,則更有機會穿過相對溫暖的大氣抵達地表,所以過去在近地表溫度很高的夏季午後強烈熱對流個案中,我們也可以看到冰雹出現。但是這也只是一個相對的判斷依據,因為比較大片的雪花依然有機會維持冰相到地表,而比較小的冰霰也有可能會在空中融化,所以並不適合單獨利用近地表溫度去區分冰相粒子的種類。

另一方面,前面所說的近地表溫度影響的是冰相粒子下降過程中是否能夠維持固態,並不是冰相粒子生成或成長環境的限制。其實只要低於0℃(freezing point)的環境中就有機會產生冰晶,而冰晶如何成長則受到條件而定,所以並沒有什麼-5℃才有雪花、0℃ ~-5℃只能生成霰這件事,但冰晶的成長確實有一定的傾向,我們稱之為冰晶的特性(ice crystal habits)。


不同雪花形狀怎麼來?
談到冰晶的特性,就不得不提一位十分有耐心與毅力的科學家,日本北海道大學的中谷宇吉郎教授,他在1930年代到北海道任教時因為經費與材料的不足,所以他決定利用北海道當地豐富的特產──雪,進行系統性的科學性研究。他花了很多的時間建立了能夠產生人造冰晶的實驗設備,在控制實驗環境溫度與濕度的條件下進行一系列的研究。在他的研究過程中,一共拍攝了超過3000 幅冰晶的顯微照片,並建立了天然冰晶的分類方法,圖四就是依據當時所整理出來的冰晶特性,進一步繪出的冰晶分類圖。

這種冰晶成長的特徵,主要是受到環境溫度與濕度條件,影響冰晶在不同方向生長速率,導致晶體形狀發生變化,所以除了我們熟悉的六角片狀冰晶與樹枝狀冰晶外,還會有柱狀、針狀等冰晶。這些冰晶的形狀雖有不同,但基本上皆受到冰的分子結構影響,都具有典型的六角晶形的特性。冰晶會透過水氣凝華過程或彼此間碰撞聚合過程成長,當他成長到一定的大小時,因為重力的影響開始具有向下運動的速度,此時我們稱之為雪。大部分的雪會保有原始冰晶的特徵,但由於雪花形成的過程中包含了所謂的聚合過程(aggregation),所以也會出現不規則的形狀。類似的道理,部分的霰因為是冰晶的淞化過程所造成,所以也可能持續保有冰晶的特徵,一般來說霰的形狀大致上可以分為球狀、圓錐形、六角形與不規則塊狀。冰雹則因為要融化在凍結的過程,所以多呈現圓球狀,但是如果我們觀察它的剖面,則會發現因為多次融化覆凍過程所導致的同心圓構造。

由上面的介紹,我們可以發現冰相粒子的形成與成長過程其實是十分的複雜,而且不同冰晶的形狀對於大氣的輻射效應也會有所不同,會進一步影響我們所模擬的長期地球氣候推估,所以冰晶的成長變化過程也是目前科學界持續關注探討的問題之一。但在位處於亞熱帶的臺灣地區,除了在高山地區外,能夠在地表看到這些冰相粒子的機會並不多,所以無論這次你看到的是雪還是霰,都會是十分難得的經驗,好好享受這美麗的銀白世界!


沒有留言: