Monday, May 14, 2007




霜與雪


王寶貫

霜與雪﹐是大氣中水份千變萬化的重頭戲之一﹐在台灣不容易見識到﹐因為台灣平地一年到頭氣候不是炎熱就是溫和﹐除了極少數個別年份之外﹐氣溫不會降到攝氏零度以下。因此要讓一般大眾了解感受到大自然裡『霜雪』(或任何和『冰』有關的)現象不是一件容易的事。現在家家戶戶都有電冰箱﹐還可以勉強『觀察』到一些結冰的實景﹐不過箱子裡的冰和大自然裡的冰並不完全一樣。幸好台灣還有高山﹐真要體驗大自然裡的冰霜雪景﹐只有往高山上走了。

然而高山一來交通不便﹐二來去高山的人多半也只是短期旅遊﹐不見得會正好碰上下雪或結霜。筆者在高一(1964年)時﹐曾參加中部橫貫公路冬季的徒步旅行﹐在山上走了五天﹐走過大禹嶺﹐遠眺合歡山﹐雖然路旁有些積冰﹐卻連一場下雪也沒見到。由於缺乏實地經驗﹐一般民眾對於霜雪是不甚了了﹐這方面的知識大都屬於『傳說』性質﹐因為少有人見過。雖然老人家們對於二十四節氣中的『霜降』『大雪』『小雪』講得琅琅上口﹐實際感覺有如隔鞋搔癢。真正說來﹐傳統的節氣名稱只適用在某些中緯度地區的﹐但是用在台灣就不對勁了。這些溫暖地區說起來應當另有一個適切當地的節氣系統才能反映出真正的氣候狀況。

降雪

雪﹐的確是先在空中凝結﹐然後才降落到地面上來﹐所以『下雪』一詞和『下雨』一樣﹐用『下』當作動詞是準確的說法。一般人都以為結冰不外乎就是水到了零度攝氏結成冰塊就是了﹐但那只是您在冰箱裡看到的過程﹐在大氣中形成的冰可是不大一樣。

大氣中的冰是如何產生的﹖基本過程有兩種﹕一是水蒸氣直接轉換成冰﹐然後吸取更多水蒸氣以增長﹐二是由液態水滴先凍成冰珠﹐再由冰珠逐漸吸取水蒸氣增長成雪花。

由水蒸氣直接轉換成冰的過程原本稱為『昇華』(sublimation)﹐不過由於容易和由冰蒸發為水蒸氣的過程(也叫昇華)相混﹐所以近來越來越多人將之稱為『凝華』(deposition)。凝華會憑空產生嗎﹖答案是不會﹐要不是有個『第三者』介入﹐水蒸氣要在空氣中直接轉換成冰﹐簡直比登天還難。這『第三者』叫做『冰核』(ice nuclei)。有了冰核﹐水蒸氣就可以附著在其上長出冰晶。

凝華過程固然很難﹐由液態水轉化成冰也同樣不容易。在大氣中的液態水常常有『過冷』的現象。所謂『過冷』﹐就是水到了攝氏零度以下﹐仍然還保持在液態不結成冰。這是許多研究雲的氣象學家乘飛機直接到雲裡收集雲中小水滴(稱為『雲滴』)時發現的。他們還發現﹐雲的過冷程度很大的差異。有的雲在攝氏零下幾度時﹐就有冰出現﹐有的雲卻可以過冷到接近零下40度還保持著液態﹗

原來一般所謂『攝氏零度時水會結冰』是用大量的水在容器裡面實驗出來的結果。您在冰箱裡結的冰都算是大量的-一小方冰塊的體積多半在一立方公分以上。但是雲滴的典型尺度是10 微米半徑的圓球﹐其體積是一立方公分的十億分之一﹗這麼少量的水﹐其物理化學行為和大量的水截然不同。再加上這小雲滴是懸浮在空氣中﹐並沒有一個固體容器(像冰箱的結冰盤)把它盛住﹐其結果就是它能撐到零下三﹑四十度還不結冰。實驗指出﹐在大氣中如果想要使得液態水在不太冷的溫度(比如說零下幾度)就結成冰的話﹐同樣需要冰核的幫忙才行。

然則冰核又是什麼成份的東西﹖氣象學家們收集天然的雪花﹐把其中的冰核分離出來﹐結果發現所謂冰核大都是一些普通的小沙粒子而已﹐其化學成份主要是二氧化矽。實驗證明﹐在適當的溫度及水蒸氣含量的條件之下﹐冰晶的確可以從這些冰核上長出來 (但溫度也都遠低於攝氏零度了)。

然而既然冰核是如此平常的東西﹐為何水份要在大氣中結冰如此困難﹖原來沙粒一般顆粒都很大﹐很難在空中停留長久的時間。君不要以為大風起時滿天飛沙﹐它們多半只停留在低層﹐風一停就紛紛掉回地面。真正能飛上高空(溫度才夠冷使得水或水蒸氣成冰)而能停在空中很久的只是些很小的粒子﹐而這樣的小粒子並不多。一些觀測指出﹐在高空中的冰核往往是『不遠千里而來』的-北美洲上空的許多冰核來自蒙古及中國西部的沙漠地帶﹐而歐洲上空的冰核有許多來自非洲沙哈拉沙漠﹗這些沙漠地帶的極端氣候會產生沙塵暴﹐強烈的風速可能把沙粒子捲上高空﹐而讓一些小粒子旅行數千里﹐到別的國家地區去產生冰雪降水﹐這些冰核的發源地卻反而享受不到下雨的好處﹐也真是造化弄人了。

下雪和下雨一樣﹐有時多有時少。下小雪時﹐只像是天上的廚房不小心掉了一些麵粉﹐雪花大都很輕盈﹐在空中迎風東飄西蕩﹐不像雨滴一樣以較直線式的軌跡落下。雪花看似不小﹐但如果您把它放在掌心﹐它卻只溶解成一個頗小的水滴-所以雪實在是頗『乾』的水﹐它的『含水量』很少(您如用杯子裝滿一杯雪﹐融化後只會得到大概1/4 或1/5杯的水)。這種天氣的雲一般不厚﹐甚至有些看似晴空的天氣﹐偶爾也會掉些小雪花來。

下大雪時則情況完全不同。雲當然是相當地厚﹐但是一般卻不會像夏天裡的暴雨雲那樣漆黑驚人﹐而是那種模糊的陰雲﹐上不見頂﹐下不見底﹐旁不見四週邊際﹐天上模糊一片﹐人間也是模糊一片。大雪時的雪花有時大如鵝毛﹐甚至如清代詩人黃遵憲說的﹕『雪花如掌春風顛』之巴掌大的都有。有時雪花不大﹐甚至不像花﹐倒像是小精鹽鹽粒。但是不管尺度之大小﹐大雪時的雪花數量一定很多﹐雪花從四面八方湧向您﹐撲到您的臉上﹐鑽到您的鼻孔裡﹐溜進您的衣領裡(假如您穿的不是密封的外套)﹐在您脖子上融化成小水滴﹐留給您幾點冬天的冰涼紀念品。

更嚴重的是﹐因為雪片是寒冷乾燥﹐不像雨水一般會流走﹐是以下大雪時﹐雪片以驚人的速度累積起令人擔憂的厚度來。不消幾個小時﹐地上可能就會累積了一兩呎的雪來。此時便是駕車人的噩夢時分了﹐車子或滑出車道﹐或乾脆在雪堆裡空轉。在雪裡駕車要訣最重要的是『不能快』﹐因為一快就會打滑也。每年冬季在下雪地帶﹐總免不了會發生幾宗車禍﹐而在高速公路上因大雪而發生的車禍常常是連環車禍﹐有時十幾輛車撞成一團。難怪美國的大氣海洋總署將冬季的大雪稱為『無聲的殺手』﹐因為下雪不像下大雨之聲勢浩大﹐而是靜悄悄地﹐然而殺傷力(交通﹑經濟﹑社會)卻不亞於豪雨。

在多雪的北國﹐有時大風雪一連幾天幾夜﹐堆其五六呎高的雪堆﹐根本就把大門封住﹐讓屋裡人進出不得的窘況也常聽說。此時唯有安心在家裡壁爐的熊熊爐火前的搖椅﹐享受些魚子醬鹹餅﹑法式軟乳酪﹑德式香腸片﹐不時品嚐一小口香醇白蘭地﹐手持《經典雜誌》﹐看它敘述『溫暖的台灣』來消受冬之神的嘲弄了。

嚴霜

九月肅霜,十月滌場詩經。豳風七月

傳統節氣中的『秋分』是個冷熱季節的重要分界點﹐秋分之後的節氣多半和『冷』有關。在秋分之後的節氣是『寒露』﹐而再下一個就是『霜降』。人人皆知﹐霜是冷的東西﹐然而﹐霜和露基本上是同一種現象在不同溫度之下的表現而已。宋代朱熹的《朱子語類》中記載﹐有人和理學家程顥(人稱伊川先生)討論霜的成因﹐認為古人云﹕『露結為霜』是對的﹐而伊川卻認為不然。他認為﹐露能滋養植物﹐而霜卻能殺死植物﹐所以兩者的氣性不同。伊川這裡是把功能和成因兩者混在一起了﹐人家講的是成因﹐而他反對的理由卻是功能﹐所以變成雞同鴨講。

誠然﹐露水遇冷的確能凝結為冰﹐可是許多的霜卻非如此形成﹐而是可以跳過『水』這個液態階段而直接凝華成冰晶。它的形成現象大致可以用以前提過的『露點溫度』的類似過程來解釋。如果空氣中的水蒸氣含量不是太少﹐則只要溫度降到某一程度﹐不必低于攝氏零度以下﹐就可以使空氣冷得達到飽和﹐那個溫度當然便是『露點溫度』。但是如果空氣中水蒸氣稀薄到某一個程度﹐則往往溫度要達到零度以下才能使空氣裡的水蒸氣飽和-而那個溫度就稱之為『霜點溫度』(frost point temperature)﹐意思是說﹐霜會開始出現了。在中緯度地區夏天夜裡地面散熱通常不會冷到霜點溫度﹐但秋冬就有可能。尤其是秋季﹐常常有『秋高氣爽』的情況出現﹐而『氣爽』也者﹐不外乎就是空氣較乾﹐水蒸氣較少的意味而已。在此種天氣下﹐如果夜裡溫度能降到霜點溫度﹐則不會看到露水﹐而是『霜花』直接就在草葉﹑樹葉﹑石頭﹑窗戶玻璃上出現。

一般的霜由於是在水蒸氣較少的情況下形成的﹐難得很厚﹐往往都是在草上或樹上的薄薄一層﹐從未見過霜的人可能還會誤以為是風吹來什麼粉末灑在草皮上哩﹗細看才知是霜(有興趣的讀者請參閱拙著【霜寒與雪白】﹐中國時報人間副刊2003年6月10日)。但是天氣更冷時﹐較大片的霜便可能形成﹐尤其是北國嚴冬的窗上晨霜。它們有時組成十分複雜精巧的圖案﹐令人讚嘆不止。

霜葉流丹

和成雪一樣﹐結霜並不『僅僅』是水蒸氣凝結成冰而已﹐而是通常要有冰核的參與。但是由於霜是在地面上的物體草木上結成的﹐有『東西的表面』可以附著﹐不像雪必須形成於自由空氣中﹐因此情況稍有不同。在有植物繁殖得地面﹐有一種冰核很厲害﹐那就是一種稱為丁香假單胞菌(pseudomonus syringae)的細菌。這種細菌到處都有﹐有時多有時少﹐而繁殖太多時也會引起某些植物的病症。它們的另一特點是﹐體內有一顆微小的核﹐是十分有效的冰核。當這種細菌大量繁殖於植物上時﹐只要空氣溫度降到霜點溫度左右就會使植物體內的水份結成冰霜。威斯康辛大學就有植物學者在研究這種細菌對植物霜凍的影響。

在氣候較寒冷的北國﹐秋天的一大美景就是紅葉。紅葉是怎麼來的﹖基本上﹐紅黃的色素本來就已存在葉子上﹐但是在夏季這些紅黃色素卻被大量的綠色遮蓋而根本顯不出來。到了秋天氣溫降低﹐葉綠素不再產生﹐結果就使得紅黃色顯現出來﹐那就是漫山遍野的耀眼紅葉美景了。簡單說是如此﹐但是真正過程卻頗複雜。

筆者在威斯康辛的舊居後院有棵楓樹﹐ 每年秋天變色的情況都不大一樣﹐某年秋天葉子是丹紅﹐明年秋季卻是橙黃﹐甚至出現變色的時期早晚也大有差異。有人指出﹐這些紅黃的程度和葉上所含的假單胞菌的數量大有關係。生物系統影響因素很多﹐是故很難指出單一原因﹐但一般而言﹐單胞菌數量多時﹐紅葉來得早﹐因為葉子會較早受到霜凍而停止產生葉綠素﹐因而早紅而且顏色深﹐如果細菌數量少﹐則葉子受霜凍機會減少﹐紅葉出現晚而顏色可能會不夠鮮艷。

霜凍與人造雪

細菌對紅葉的影響雖有﹐但畢竟一般人認為這只是觀賞用途﹐不值得重視。霜最嚴重的後果就是引起『霜害』。這是因為植物的組織內常含有大量水份﹐一旦溫度冷達霜點溫度﹐這些體內的水份就有可能結霜而破壞組織。而植物又不像動物有本事能在天冷的時候找個穩當的地方躲起來避寒﹐因此只有靠天生的抗冷能力來生存。有些植物確有這種能力(如一些常綠喬木)﹐但也有許多完全不行的﹐或只有部份能力的﹐一遇霜凍﹐就要枯萎了。中國史書上就記載了不少嚴重的霜害事件﹕『隕霜殺草』『隕霜殺木』『隕霜殺稼』。美國南方﹐像佛羅里達州﹐因為氣候較暖﹐可以栽植大片柑橘果園。但是柑橘卻很容易收到霜凍的損害﹐所以那裡的果農對於如何防治霜害的方法頗為重視。

腦筋靈光的人往往能『化腐朽為神奇』。就在一些人為這種細菌的結霜能力煩惱時﹐另一批人卻已經開始利用它們這種能力-這就是那批經營滑雪娛樂場的人們。滑雪場的最大煩惱當然就是『無雪可滑』﹐而北國的冬天有時天氣奇冷﹐但同時也奇乾﹐硬是不下雪﹐此時滑雪場呼的唯一辦法就是『人造雪』。人造雪可不是用大刨冰機把冰塊刨成雪花來鋪地﹐那種方法費用太高。也不能以為簡單地在大冷天把水用噴管往空中噴射成小水珠就能造出雪來﹐那樣噴出來的水珠在空中還是液態水(過冷水)﹐但一接觸地面它們就凝成了冰。結果你頂多人造了一個溜冰場﹐卻不成其滑雪場。現在的辦法是﹐把上述這種細菌的核調在水裡﹐然後用強力噴霧器在寒冷空氣中噴出。由於細菌冰核的能力﹐這些小霧珠在空氣中就結為冰粒子﹐鋪在地上成為一層白雪。它們基本上是冰珠子﹐雖不若天然雪花之優良﹐但已經夠滑雪人士過癮了﹐當然賣菌核的公司乃大賺其錢﹐真是所謂『行行出狀元』了。

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