自然現象

水

水是氫和氧的化合物，化學式為H2O。在自然界以固態、液態、氣態三種聚集狀態存在。是地球上各種生靈存在的根本，是生物體最重要的組成部分，在生命演化中起到了重要的作用。水的變化和運動造就了我們今天的世界。在地球上，水是不斷循環運動的，海洋和地面上的水受熱蒸發到天空中，這些水汽又隨著風運動到別的地方，當它們遇到冷空氣，形成降水又重新回到地球表面。這種降水分為兩種：一種是液態降水，這就是下雨；另一種是固態降水，這就是下雪或下冰雹等。

大氣里以固態形式落到地球表面上的降水，叫做大氣固態降水。雪是大氣固態降水中的一種最廣泛、最普遍、最主要的形式。大氣固態降水是多種多樣的，除了美麗的雪花以外，還包括能造成很大危害的冰雹，還有我們不經常見到的雪霰和冰粒。由於天空中氣象條件和生長環境的差異，造成了形形色色的大氣固態降水。這些大氣固態降水的叫法因地而異，因人而異，名目繁多，極不統一。

為了方便起見，國際水文協會所屬的國際雪冰委員會，在徵求各國專家意見的基礎上，於1949年召開了一個專門性的國際會議，會上通過了關於大氣固態降水簡明分類的提案。這個簡明分類，把大氣固態降水分為十種：雪片、星形雪花、柱狀雪晶、針狀雪晶、多枝狀雪晶、軸狀雪晶、不規則雪晶、霰、冰粒和雹。前面的七種統稱為雪。為什麼後面三種不能叫做雪呢？原來由氣態的水汽變成固態的水有兩個過程，一個是水汽先變成水，然後水再凝結成冰晶；還有一種是水汽不經過水，直接變成冰晶，這種過程叫做水的凝華。所以說雪是天空中的水汽經凝華而來的固態降水。（右圖為十種大氣固態降水示意圖，從上向下分別為：雪片、星形雪花、柱狀雪晶、針狀雪晶、多枝狀雪晶、軸狀雪晶、不規則雪晶、霰、冰粒、雹）。

雪

雪的近親家族

霰

夏天，在高山地區，天空里經常有許多過冷水滴圍繞著結晶核凍結，形成了一種白色的沒有光澤的圓團形顆粒，氣象學上把這種東西叫做霰，許多地方口語稱它為米雪或雪霰。霰的直徑一般在0.3到2.5毫米之間，性質鬆脆，很容易壓碎。霰不屬於雪的範疇，但它也是一種大氣固態降水。

冰粒和冰雹

夏天，在北方平原地區，常常會遇到另外兩種大氣固態降水，這就是冰粒和雹。冰粒和雹是比較大的能夠流淌的水滴圍繞著凝結核一層又一層地凍結而形成的半透明的冰珠。氣象學上把粒徑不超過5毫米的叫做冰粒，把粒徑超過5毫米的叫做冰雹。冰雹給農業生產帶來很大危害。據記載，世界上最大的冰雹，比拳頭還大，直徑超過十厘米，重量超過一公斤。霜、雨凇和霧凇，除了大氣固態降水之外，地面上還經常出現另一種所謂“地表生長型”的固態降水，這就是霜、雨凇和霧凇。這些固態降水，雖不屬於大氣固態降水，僅僅是水汽在地表凝華結晶和凍結而形成的。但這些固態降水，對人類的生產活動也影響較大。霜凍是大家比較熟悉的，它經常讓農業減產。為了避免霜害，人們付出了艱巨的勞動。雨凇和霧凇對人類也並不是很友好的，它們一般在高山地帶出現。在過冷天氣里，微小的雨滴或霧滴碰到劇烈冷卻的物體表面時，便在上面形成雨凇和霧凇。這類固態降水的強度和規模，有時是非常驚人的，往往在一二天之內，物體迎風面上能聚結上一層一米多厚的冰殼，景色十分神異，好像童話里的意境。

形成

在天空中運動的水汽怎樣才能形成降雪呢？是不是溫度低於零度就可以了？不是的，水汽想要結晶，形成降雪必須具備兩個條件：

一個條件是水汽飽和。空氣在某一個溫度下所能包含的最大水汽量，叫做飽和水汽量。空氣達到飽和時的溫度，叫做露點。飽和的空氣冷卻到露點以下的溫度時，空氣里就有多餘的水汽變成水滴或冰晶。因為冰面飽和水汽含量比水面要低，所以冰晶生長所要求的水汽飽和程度比水滴要低。也就是說，水滴必須在相對濕度（相對濕度是指空氣中的實際水汽壓與同溫度下空氣的飽和水汽壓的比值）不小於100%時才能增長；而冰晶呢，往往相對濕度不足100%時也能增長。例如，空氣溫度為-20℃時，相對濕度只有80%，冰晶就能增長了。氣溫越低，冰晶增長所需要的濕度越小。因此，在高空低溫環境里，冰晶比水滴更容易產生。

另一個條件是空氣里必須有凝結核。有人做過試驗，如果沒有凝結核，空氣里的水汽，過飽和到相對濕度500%以上的程度，才有可能凝聚成水滴。但這樣大的過飽和現象在自然大氣里是不會存在的。所以沒有凝結核的話，我們地球上就很難能見到雨雪。凝結核是一些懸浮在空中的很微小的固體微粒。最理想的凝結核是那些吸收水分最強的物質微粒。比如說海鹽、硫酸、氮和其它一些化學物質的微粒。所以我們有時才會見到天空中有雲，卻不見降雪，在這種情況下人們往往採用人工降雪。

雪都是從天空中降落下來的，怎麼會有不是在天空里凝結的雪花呢？

1773年冬天，俄國彼得堡的一家報紙，報道了一件十分有趣的新聞。這則新聞說，在一個舞會上，由於人多，又有成千上百支蠟燭的燃燒，使得舞廳里又熱又悶，那些身體欠佳的夫人、小姐們幾乎要在歡樂之神面前昏倒了。這時，有一個年輕男子跳上窗檯，一拳打破了玻璃。於是，舞廳里意想不到地出現了奇迹，一朵朵美麗的雪花隨著窗外寒冷的氣流在大廳里翩翩起舞，飄落在悶熱得發昏的人們的頭髮上和手上。有人好奇地衝出舞廳，想看看外面是不是下雪了。令人驚奇的是天空星光燦爛，新月銀光如水。

那麼，大廳里的雪花是從哪兒飛來的呢？這真是一個使人百思不解的問題。莫非有人在耍什麼魔術？可是再高明的魔術師，也不可能在大廳里耍出雪花來。

後來，科學家才解開了這個迷。原來，舞廳里由於許多人的呼吸飽含了大量水汽，蠟燭的燃燒，又散布了很多凝結核。當窗外的冷空氣破窗而入的時候，迫使大廳里的飽和水汽立即凝華結晶，變成雪花了。因此，只要具備下雪的條件，屋子裡也會下雪的。

下雪時的景緻美不勝收，但科學家和工藝美術師讚歎的還是小巧玲瓏的雪花圖案。遠在一百多年前，冰川學家們已經開始詳細描述雪花的形態了。

西方冰川學的鼻祖丁鐸耳在他的古典冰川學著作里，這樣描述他在羅扎峰上看到的雪花：“這些雪花……全是由小冰花組成的，每一朵小冰花都有六片花瓣，有些花瓣象山蘇花一樣放出美麗的小側舌，有些是圓形的，有些又是箭形的，或是鋸齒形的，有些是完整的，有些又呈格狀，但都沒有超出六瓣型的範圍。”

在我國，早在公元前一百多年的西漢文帝時代，有位名叫韓嬰的詩人，他寫了一本《韓詩外傳》，在書中明確指出，“凡草木花多五齣，雪花獨六齣。”

雪花的基本形狀是六角形，但是大自然中卻幾乎找不出兩朵完全相同的雪花，就像地球上找不出兩個完全相同的人一樣。許多學者用顯微鏡觀測過成千上萬朵雪花，這些研究最後表明，形狀、大小完全一樣和各部分完全對稱的雪花，在自然界中是無法形成的。

在已經被人們觀測過的這些雪花中，再規則勻稱的雪花，也有畸形的地方。為什麼雪花會有畸形呢？因為雪花周圍大氣里的水汽含量不可能左右上下四面八方都是一樣的，只要稍有差異，水汽含量多的一面總是要增長得快一些。

世界上有不少雪花圖案搜集者，他們像集郵愛好者一樣收集了各種各樣的雪花照片。有個名叫賓特萊的美國人，花了畢生精力拍攝了近六千張照片。蘇聯的攝影愛好者西格尚，也是一位雪花照片的攝影家，他的令人銷魂的作品經常被工藝美術師用來作為結構圖案的模型。日本人中谷宇吉郎和他的同事們，在日本北海道大學實驗室的冷房間里，在日本北方雪原上的帳篷里，含辛茹苦二十年，拍攝和研究了成千上萬朵的雪花。

但是，儘管雪花的形狀千姿百態，卻萬變不離其宗，所以科學家們才有可能把它們歸納為前面講過的七種形狀。在這七種形狀中，六角形雪片和六稜柱狀雪晶是雪花的最基本形態，其它五種不過是這兩種基本形態的發展、變態或組合。

作用

1．保溫作用

積雪，好像一條奇妙的地毯，鋪蓋在大地上，使地面溫度不致因冬季的嚴寒而降得太低。積雪的這種保溫作用，是和它本身的特性分不開的。

我們都知道，冬天穿棉襖很暖和，穿棉襖為什麼暖和呢？這是因為棉花的孔隙度很高，棉花孔隙里充填著許多空氣，空氣的導熱性能很差，這層空氣阻止了人體的熱量向外擴散。覆蓋在地球胸膛上的積雪很像棉花，雪花之間的孔隙度很高，就是鑽進積雪孔隙里的這層空氣，保護了地面溫度不會降得很低。當然，積雪的保溫功能是隨著它的密度而隨時在變化著的。這很像穿著新棉襖特別暖和，舊棉襖就不太暖和的情況一樣。新雪的密度低，貯藏在裡面的空氣就多，保溫作用就顯得特彆強。老雪呢，象舊棉襖似的，密度高，貯藏在裡面的空氣少，保溫作用就弱了。

為什麼物體里貯藏的空氣越多，保溫效果越強呢？

這是因為空氣是不良導體的緣故。我們知道，任何一個物體，它本身都能通過熱量，這種能夠通過熱量的性能，稱做物體的導熱性。在自然界常見的幾種物質中，空氣的導熱性最差。所以物體里容納的空氣越多，它的導熱性就越差。由於積雪裡所能容納的空氣量變化幅度較大，因此，積雪的導熱係數變化幅度也較大。一般剛下的新雪孔隙大，保溫效應最好，到春天融雪後期，積雪為水所浸漬，這時它的導熱係數就更接近於水了，積雪的保溫作用便趨於消失。

2．雪蝕作用

冰緣氣候條件下積雪場頻繁的消融和凍脹所產生的一種侵蝕作用。產生雪蝕作用的地區分佈在沒有冰蓋的極地和亞極地以及雪線以下、樹線以上的高山帶。那裡年均氣溫為0℃左右，屬於永久凍土帶。雪場邊緣的交替凍融，一方面通過冰劈作用使地表物質破碎；一方面雪融水將粉碎的細粒物質帶走，故雪蝕作用包括剝蝕和搬運兩種作用。隨著雪場底部加深，周邊擴大，山坡上逐漸形成周邊坡度小的寬淺盆狀凹地，即雪融凹地。其形態、成因和空間分佈均不同於冰斗，但兩者又有聯繫。

當氣候進一步變冷、雪線下降時，雪蝕凹地可發育成冰斗；反之，氣候轉暖、冰川消退時，冰斗可退化為雪融凹地。不同自然地理條件下的雪蝕作用方式和速度各不相同。在緯度較低、降水量大、年凍融日數多的地方，雪蝕作用速率較快，雪蝕凹地深、面積大。如中國東北小興安嶺地區，雪蝕凹地十分普遍。反之，在緯度高、降水量少、夏溫低的地方，雪蝕作用就弱。地面坡度的影響是：坡陡>40°，雪場不易存在；平地上雪蝕作用極慢；30°左右的坡地上，雪蝕作用最為活躍。

彩虹

當陽光經過水滴時，它會被折射、反射后再折射出來。在水滴內經過一次反射的光缐，便形成我們常見的彩虹（主虹）。若光線在水滴內進行了兩次反射，便會產生第二道彩虹（霓）。霓的顏色排列次序跟主虹是相反的。由於每次反射均會損失一些光能量，因此霓的光亮度亦較弱。

【彩虹為什麼總是彎曲的】

事實上如果條件合適的話，可以看到整圈圓形的彩虹。彩虹的形成是太陽光射向空中的水珠經過折射→反射→折射后射向我們的眼睛所形成。不同顏色的太陽光束經過上述過程形成彩虹的光束與原來光束的偏折角約180-42=138度。

也就是說，若太陽光與地面水平，則觀看彩虹的仰角約為42度。以下動畫顯示以相同視角射向眼睛的所有光束，必然在一個圓錐面上。

（也就是呈現圓形彩虹光束）想象你看著東邊的彩虹，太陽在從背後的西邊落下。白色的陽光（彩虹中所有顏色的組合）穿越了大氣，向東通過了你的頭頂，碰到了從暴風雨落下的水滴。當一道光束碰到了水滴，會有兩種可能：一是光可能直接穿透過去，或者更有趣的是，它可能碰到水滴的前緣，在進入時水滴內部產生彎曲，接著從水滴後端反射回來，再從水滴前端離開，往我們這裡折射出來。這就是形成彩虹的光。

光穿越水滴時彎曲的程度，端視光的波長（即顏色）而定——紅色光的彎曲度最大，橙色光與黃色光次之，依此類推，彎曲最少的是紫色光。

每種顏色各有特定的彎曲角度，陽光中的紅色光，折射的角度是42度，藍色光的折射角度只有40度，所以每種顏色在天空中出現的位置都不同。

若你用一條假想線，連接你的後腦勺和太陽，那麼與這條線呈42度夾角的地方，就是紅色所在的位置。這些不同的位置勾勒出一個弧。既然藍色與假想線只呈40度夾角，所以彩虹上的藍弧總是在紅色的下面。

彩虹之所以為弧型這當然與其形成有著不可分割的關係，同樣這也與地球的形狀有很大的關係，由於地球表面為一曲面而且還被厚厚的大氣所覆蓋，在雨後空氣中的水含量比平時高，當陽光照射入空氣中的小水滴形成了折射，同時由於地球表面的大氣層為一弧面從而導致了陽光在表面折射形成了我們所見到的弧形彩虹！

多自然現象仍是一個謎團，科學家尚無法準確解釋其間的神秘，同時這些奇特的自然現象卻極具魅力，釋放出地球大自然所獨有的絢麗。以下是全球十大最壯觀的神秘自然現象——絢麗多彩的北極光、預示惡劣天氣的乳房雲、像冰矛一樣的融凝冰柱等。

毋庸置疑的講，北極光是地球上最美麗的景色之一，自從人們發現北極光現象之後就被該現象的神秘和美麗所深深吸引。通常北極光發生於太陽釋放高能帶電粒子，這些帶電粒子以每秒300—1200公里的速度從太空釋放出來，這些帶電粒子形成的雲狀結構叫做等離子區。

從太陽釋放出來的等離子流叫做太陽風。當太陽風與地球磁場邊緣發生接觸，一些帶電粒子被地球磁場所捕獲，它們沿著磁力線進入地球電離層，電離層地球表面向空中延伸60—600公里的大氣層部分。當帶電粒子與電離層中的氣體碰撞就開始發亮，產生壯麗絢麗的景色，這種美妙的極光現象還出現在南極地區。

乳房雲也被稱為乳房積雲，它是由無數個袋狀下垂雲狀結構組合在雲層底部，它主要是由冰物質構成，可以沿著任何一個方向延伸數百英里，然而一些乳房雲結構可保持靜止不變10—15分鐘。每當乳房雲出現就預示著惡劣天氣的到來，它經常是暴風雨或其他惡劣天氣來襲的前兆。

赤潮是河口、海洋或淡水水藻在水域中快速堆積，從而覆蓋整個海域或海灘，使海水變成血紅色。這種現象是由於密度較高的浮游植物在水表面堆積形成密集、可見的團狀結構，雖然部分浮游植物並無害，但少部分浮游植物有劇毒，可導致魚類、鳥類和海洋哺乳動物死亡。在一些情況下，甚至人類也會在赤潮下受到傷害，儘管尚沒有記錄有人在赤潮中死亡。

融凝冰柱看上去非常像冰矛，主要存在於高山冰川，它在尺寸上具有多樣性——從幾厘米高至5米高。最初，太陽光線在積雪或高山冰川表面上照射融化形成不規律的微凹，一旦像這樣的微凹形成，太陽光將在這個微凹處發生光線反射，增加了局部物質升華。隨著微凹的逐步加深，深深的一個凹槽便形成，最終形成像聳立的冰矛結構。

美國加利福尼亞州死亡谷泥漿戈壁上會移動的石頭成為頗具科學爭議的一個焦點，對於這一怪異的自然現象，許多科學家均無法給予合理的解釋。甚至重達數百磅的石頭也會自然移動數百米之外，一些科學家猜測該現象可能是由於強勁的風和表面冰層的結合作用才形成這一運動。

然而，這種解釋理論不能解釋不同質量的岩石能夠以不同的速度並排移動，或以不同的方向移動。此外，從物理學計算也不支持以上理論，當地至少需要數百英里每小時的風速才能移動某些石頭，但最終這樣的風速也無法移動數百磅的石頭至數百米之遙。

超級氣流柱是在強烈暴風雨（比如中氣旋：直徑16公里以下的旋風）中持續出現縱深旋轉上升氣流，這一自然現象看上去非常可怕。該現象可持續數個小時，有時可能會分割成兩半，位於暴風的兩側。超級氣流柱席捲某一地區通常會帶來冰雹、或暴風雨，有時還會產生龍捲風。有時超級氣流柱會降落一些巨大的冰雹，該現象可能出現於地球的任何地區，但在美國大平原出現的概率較高。

火焰龍捲也被稱為火怪或火旋風，是火焰在某些特殊條件下的罕見現象，通常主要受空氣溫度和氣流影響，形成一個垂直旋渦狀，或形成類似龍捲風效應的垂直徑向旋轉氣柱。一般火焰龍捲多發生於叢林火焰中，垂直旋渦狀火柱形成於特定的氣流和溫度條件下。火焰龍捲可形成30—200英尺高，直徑達到10英尺，但僅持續幾分鐘，如果風速較強勁的話，火焰龍捲可能持續時間更長一些。

波浪狀的重力波雲層通常是由於上升氣流延伸至山脈，或者伴隨著雷電交加的暴風雨而產生。重力波狀的雲層僅產生於上升氣流進入穩定的氣穴（air pocket）。向上的氣流衝量在氣穴中產生連鎖反應，從而形成大氣層中雲層的變化，改變雲層動態曲線，使雲層出現如同重力波一樣的擺動波紋。

嗡嗡的噪音是指人耳無法聽到的持續、擴散性低頻交流噪音的總稱，據報道這種奇特噪音現象出現於不同的地理環境。一些噪音源已被測定，比如研究人員發現美國新墨西哥州陶斯地區有該噪音，因此該噪音也被命名為“陶斯嗡嗡噪音”。研究人員指出，這種奇特的噪音存在於世界各地，尤其在歐洲地區最多，在夏威夷島的嗡嗡噪音與火山作用有密切關係，但記錄到的噪音卻與火山地區相隔數十英里之遙。嗡嗡噪音經常被描述為是一種聽起來像柴油機空轉時發出的聲音，很難用麥克風進行探測記錄，至今科學家仍無法準確解釋其成因和來源。

這一奇特的自然現象通常只在非常寒冷的國家或地區出現，科學家們普遍認為冰圈是水表面冰層在水面中心區域聚集形成的，而不是在邊緣。緩慢流動的河水可形成緩慢旋轉的漩渦，當水流旋轉時，便形成冰圈。冰圈的邊緣消融速度很緩慢，直到冰圈上出現裂縫才會導致冰圈下降。這些冰圈的最大直徑可達到500多英尺。

數學主要的目標是公眾的利益和自然現象的解釋。——傅立葉

不同的自然現象有不同的最佳觀測距離和尺度，並不一定是距離越近越好，觀測越細微越好。——李小文

解決語言演化問題的難度不亞於破解物種演化之謎的難度；語言演化既是一種社會現象，又是一種自然現象，還是人類心智發展和歷史文化演變的結果；由於語言的起源與變化有其內在的原因和外界的影響，從而增加了語言演化問題的複雜性。——周海中