窗戶上的冰花是怎樣形成的？

　　2016年1月中下旬的一場大寒潮把全中國東西南北都凍透了。寒潮給人們的出行帶來了極大的不便，也給人們帶來一些生活上的困難。然而，大多數人總是積極的，樂觀的，他們在網上曬出了各地冰雪中的美景，即使是待在家里，也有很多人在欣賞他們家窗戶上結出的冰花。我也把家里窗戶上的冰花拍了幾張照片，為了看清原樣，并沒有作色彩的加工，只是放大了一些，而且把黑白對比作了一點調整。

　　為什么天冷了，窗戶上會結出冰花呢？人們最簡單地回答是，空氣中的水蒸氣，遇冷凝結了。但是，再細問一句，為什么會有這樣絢麗、變化多端的“花”呢？這還是需要從水蒸氣的凝結說起。

　　眾所周知，通常情況下水有三種狀態，氣態（水蒸氣）、液態（水）和固態（冰、霜、雪等，它們都是晶體），液態和固態又通稱凝聚態。它們都有同一種分子即水分子構成，水分子由一個氧原子和兩個氫原子組成，氫-氧-氫之間的交角為約104.5o。氧原子帶負電荷，氫原子帶正電荷。兩個分子接近時，氫原子與另一個分子的氧原子能夠相互吸引，這種分子間的作用稱為氫鍵。

　　凝聚態表面動能較大的水分子可以離開液面或晶面成為氣態（這個過程分別稱為蒸發或升華，或統稱氣化），氣態水分子也可以被凝聚體中的水分子以氫鍵力或其它分子間作用力相吸引，成為凝聚態中的分子（這個過程稱為凝結）。一般情況下，氣化和凝結這兩個過程同時存在。在我們日常生活的絕大多數情況下，氣化的過程是占著優勢的，所以我們洗了的衣物能夠晾干，這是因為空氣中的水分子還不夠多。如果一定空間內空氣中水分子不斷增加，氣化的優勢就越來越小，當水分子增加到一定數量時，氣化和凝結兩個過程會達到平衡，這時候，我們洗的衣物就晾不干了。我們稱這時候空氣中的水蒸氣飽和了，或者說，空氣中的相對濕度達到了百分之百。如果這時候再繼續增加空氣中的水分子，即超過了飽和狀態，那么這些水分子將凝結起來。

　　大家知道，在一個容器中，氣體分子越多，產生的壓強就越大。空氣中水分子越多，它產生的蒸氣壓也越大。我們把飽和的水蒸氣所產生的蒸氣壓稱為飽和蒸氣壓。利用這個概念，我們可以把上面所說的氣化和凝結兩個過程相互競爭的情況重新敘述一下：在蒸氣壓沒有達到飽和時，氣化過程占優勢；當達到了飽和蒸氣壓，氣化和凝結就達到平衡；當蒸氣壓超過了飽和蒸氣壓，那么凝結過程就會占優勢。

　　飽和蒸氣壓是隨溫度而變化的。所謂溫度升高，就是分子的平均動能增加，凝聚態的水分子就更容易離開凝聚體，跑到空中，這樣，飽和蒸氣壓就升高。反之，溫度降低，分子的平均動能減少，氣態水分子就容易凝結，飽和蒸氣壓就降低。陰天下雨，蒸氣壓接近飽和，我們洗了衣服，晾在那里不容易干，但是烤一烤就干得快了。這就是因為溫度升高，飽和蒸氣壓也升高，原來接近于飽和的蒸氣壓，現在不飽和了，氣化過程優勢明顯了，衣服就容易干了。

　　說清楚這些之后，就可以來看窗戶上霜產生冰花的問題了。

　　冬季，室外溫度很低，窗戶玻璃的溫度也就會大大低于室內的氣溫。室內其他地方的空氣靠近玻璃時，由于溫度降低，其飽和蒸氣壓會降低，水蒸氣超過了飽和狀態，于是凝結就占了優勢。如果玻璃溫度不很低，那么水蒸氣將凝結成水，如果玻璃溫度足夠低，那么水蒸氣就凝結成冰霜。由于空氣在靠近玻璃處變冷，冷空氣密度較大，向下流動，邊向下流動邊下降溫度。所以，我們可以看到，最先上霜的總是窗戶玻璃的最下方，冰霜最厚的也在那里。

　　從分子運動的角度看，當空氣分子靠近窗戶玻璃時，分子把動能傳給了玻璃，在空氣靠近玻璃向下流動的過程中，動能降低的分子越來越多，他們就凝結起來了。它們是怎樣凝結的呢？最開始，由于玻璃上總有一些塵埃，它們能夠吸附水分子，并凝結起來，然后由于水分子的不斷加入而體積越來越大。水分子是一個又一個地凝結到凝聚體上面，而且水分子向凝聚體接近的方向又是任意的、不規則的，因此，這種水的晶體（即冰霜）的生長與液體水的整體結冰又有所不同。一般地說，在凝聚體尖端部分能夠接觸到空氣中水分子的可能性會更大，水蒸氣也就容易凝結在那里，不斷的凝結使尖端長得更長，如此不斷重復，這樣長出來的晶體往往呈羽毛狀，形成美麗的冰花。如果時間足夠長，水汽足夠多，冰花也就越來越粗壯。但是，如果室內溫度較高，冰霜在凝結形成的過程中同時在融化，融化了又凝結，這就與普通的冰差別不大了。我們在窗戶玻璃的底部看到了往往是這樣的冰。而在玻璃的上部則能夠看到比較漂亮的窗花。

　　我家的窗戶有兩層，所以，當外面的溫度并不很低時，窗戶上往往并不掛霜。但是，在前幾天，室外的溫度下降到零下十多度時，外層的玻璃上也掛上了冰花。由于兩層窗戶之間只有較少的空氣，所以窗花顯得細小，而內層窗戶又隔絕了許多熱量，使得兩層窗戶之間溫度很低，從而在形成窗花過程中較少地融化，這樣形成的窗花格外細致，精巧。

　　本文一開始的列出的五張照片中，前三張在窗戶玻璃的較上部分所攝，后兩張在窗戶玻璃的較下部分所攝。我們可以看到，上部窗戶冰花的細部羽毛狀結構比較纖細，而下部的結構則粗大得多。為了把上部的細小結構看得更加清楚，我把第二張照片中的一朵小冰花再放大了多倍，從中可以看到很多細小的“冰毛”。

　　最后，我們還順便說一個似乎是另外的問題：為什么冰花只存在窗戶玻璃的一面，靠室外的那一面為什么沒有冰花？

　　是靠室外的那一側玻璃溫度高？顯然不是，窗戶玻璃的外面顯然溫度比室內一面為低。是室外的空氣中沒有水蒸氣？也不是，室內空氣中總是會有水蒸氣的。你看有時候室外的木頭上，草上也常常會結上霜的。

　　窗戶玻璃的外面不結冰花，那是因為房舍里有人居住，其窗戶玻璃的溫度一般都高于室外的氣溫，也就是說，玻璃靠外一面的溫度雖然較低，但室外空氣的溫度卻更低。這樣就不會發生像室內那樣在玻璃附近飽和蒸氣壓低于空氣中蒸氣壓的情況，室外空氣中的水蒸氣也就不會凝結在窗戶玻璃之上了。