在極度寒冷的冬天,樹枝經常披掛上白色透明或不透明的外衣,它們以霧淞,雨淞或霜花等不同形式出現,遠遠望去,玉樹瓊花,宛如一片銀白森林,非常壯觀。這些霧淞,雨淞或霜花都很美麗,皆可稱為「樹掛」,但您知道它們如何美妙,它們是怎麼形成,它們之間有甚麼差別呢?

霧淞 (Rime)
霧淞 (Rime)是一種不透明的冰凝華物,多由湖面蒸發的水分形成。

霧淞 (Rime)

首先,霧淞 (Rime) 又稱為「凍霧」,它是一種白色或乳白色和不透明的冰粒聚積物,其多由湖面蒸發的水分在空中形成水霧,這些水霧中的「過冷水滴」撞擊暴露物時迅速凍結,並且不斷凝結、凝華及累積,因而形成冰晶狀或顆粒狀的冰晶堆積層。霧淞在中國東北地區享負盛名,早在南北朝時代宋國呂忱所編的《字林》裡,便解釋其為:「寒氣結冰如珠見日光乃消,齊魯謂之霧淞。」當時民間俗稱霧淞為 “夢送”,意思是人們在夜間做夢時,天公送來的大自然禮物。

霧淞長成於極度潮濕和氣溫低於冰點的環境中,當冷空氣中的「過冷水滴」撞擊物體表面上時首先凝結成小水滴,然後迅速凍結成半透明的冰晶,接著有更多水蒸氣附著在冰晶表面上凝結、凝華或結霜,並且不斷積聚,在物體表面上凝聚成一層層的霧冰層,這種冰晶生長的霧淞化過程 (Riming),被稱為 “Accretion” (撞凍積長)。在積長的過程中,取決於風力的強度,霧凇會出現具有冰晶狀外觀的軟霧淞 (Soft rime),或者結成較堅硬和冰冷的霧淞冰 (Rime ice, 亦稱:硬霧淞) 這兩種自然奇觀。當然,有更多時候,霧淞的形態介乎軟霧淞與霧淞冰之間(如下圖),形成顆粒狀的碎冰堆積體,都叫霧淞 (Rime)!

霧凇 (Rime)
霧淞 (Rime)有軟霧淞和硬霧淞之分,或更多是介乎兩者之間。

軟霧淞 (Soft rime) 通常出現在無風或微風的冰凍薄霧(即空氣水份很高)環境中,當霧水凍結到物體表面時形成。軟霧淞與物體之間雖然緊緊黏著一塊内冰層,在外層上卻長出白色冰尖刺、類似於霜冰的結晶體,其整體看起來呈乳白色,均勻卻不透明,這些表面上的晶體看起來似乎很脆弱,但因其附著在冰體上,並不容易從物體上抖落。

軟霧淞畢竟不是白霜 (Hoar) 的一種,霧淞是由水氣首先凝結成液滴,然後凍結附著在物體表面上 Accretion (撞凍積長)形成,因此,霧淞多數長在物體的迎風面,而非白霜是由水蒸氣跳過液態直接在物體表面上凝華結晶,所以白霜的結晶體非常明顯,而且均匀分佈在物體的突出面上(下文會有圖解)。在下圖裡,您可看見軟霧淞凝結在樹枝迎著風向的一面,它的表層現出類似於霜冰的結晶體,那是因為在風力較為平靜的條件下,凝華結晶在霧淞迎風積長的過程中發生作用。

軟霧淞, 結晶 (Soft rime)
軟霧淞 (Soft rime) 具有類似於白霜的結晶體,緊緊聚結在樹枝的迎風面。

霧淞冰 (Rime ice) 和 雨淞冰 (Glaze ice)

下圖是我見到過最美麗的硬霧淞,其攝於以強風和冰氣泡聞名的亞省 Abraham 湖。硬霧淞 (Hard rime) 是一種又厚又硬又不透明的乳白色霧淞冰 (Rime ice),通常出現在山頂、山脊或湖岸迎風面的樹上,強風讓整棵樹木像被冰晶體完全簇擁著,形成一種冰雪美景。在大風、寒冷和潮濕的條件下,這時候最容易形成凍霧,當凍霧中的過冷水滴結冰附著在樹枝、建築物或任何其他固體物體表面上,結成霧淞,強風帶來更多水氣,會不斷地強烈撞凍積長 (Accretion) 最初長成的霧淞,然後重覆擠壓堆疊,最後結成一團厚厚又不透明的霧淞冰。如果風力越強烈,水氣夠充足的話,霧淞冰便越厚越結實,這些堅硬的堆積冰晶除非自然融化,否則很難脫除。

霧淞冰 (Rime ice), 硬霧淞 (Hard rime), Abraham Lake
霧淞冰 (Rime ice)通常出現在強風下迎風面的樹上

霧淞冰 (Rime ice) 和雨淞冰 (Glaze ice) 都在氣溫低於冰點時就會發生,它們形成機制的差異在於是否下雨。雨淞冰由凍雨(過冷水滴)迅速凝結而成,它就是一塊塊凝固在一起的單純固態冰,如果更多的水分加進來,它還是一塊較大的冰。雨淞冰比霧淞冰更光滑、更堅硬和更透明。而霧淞源於冰晶,其在形成期間不能下雨,否則雨滴就會凝固為雨淞冰,而不是霧淞冰。霧淞從凍霧内的水氣結成冰晶開始積聚,它與雨淞之間多了一個積長過程,其中風力強度決定了霧淞層「軟」或「硬」的程度,而且霧淞是冰晶層層疊疊的結果,所以是不透明的。

下圖的「雨淞冰」攝於一道瀑布旁邊的迎風面上,雖然它的形成並不是源於從天上降下來的凍雨,但是當時氣溫低於零度,從瀑布飄來的水分同樣達到「凍雨」的效果。從下圖這塊晶瑩透徹的雨淞冰,您可比較它與上圖霧淞冰之間的差別!不過,隨著冰晶不斷在雨淞冰上面累積,久而久之,雨淞冰會被霧淞化,變成不透明的霧淞冰,就像您在寒冷山區,掛在路旁岩壁那些變成不透明的冰掛那樣。

雨淞冰 (Glaze ice)由過冷水滴迅速凝結而成
雨淞冰 (Glaze ice) 由過冷水滴迅速凝結而成,是單純的固態冰。

白霜 (Hoar frost)

相對於霧淞需要在有風的極度潮濕和環境下,形成白霜的最佳條件,就是在幾乎沒有風和沒有霧,最好是晴朗無雲的晚上,還有就是天氣一定要夠冷,氣溫必須低於霜點以下。

白霜 (Hoar frost 或 White frost) 發生在沒有風和沒有霧的晴朗夜空下,空氣乾燥但必須要有適當濕度。當空氣靜止而氣溫低於霜點時,導致地表熱量迅速散失到天空,冷空氣在地面上沉降,致使飄浮在空氣中的水蒸氣在地面或近地面的物體上凝華而成的一種羽狀冰晶。在這種輻射冷卻條件下形成的白霜,亦稱為「輻射霜」(Radiation frost),它最常以易碎的白色結晶體 (Crystalline frost) 形式出現,其羽毛鱗片狀的結構和白色或半透明的美麗外觀,反光時會還會閃閃發亮,真是讓人讚嘆大自然的美妙!

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輻射霜 (Radiation frost) 常以羽毛鱗片狀的白色結晶體 (Crystalline frost) 形式出現。

由於白霜是由大氣中的水蒸氣(過冷水滴)與溫度低於霜點的固體表面接觸,通過凝華過程 (Desublimation 或 Deposition),亦即水蒸氣從氣態直接轉變成固態的霜晶,而不像霧淞經過水滴狀態再形成冰晶,後者在氣溫低於冰點時就會出現。所謂「凝華過程」,它與「昇華」(Sublimation) 是相反的相變過程 (Phase Transition)。

在結霜的過程中,氣溫必須低於霜點,而且風力不能太強,否則霜花會在開始形成時破壞了脆弱的冰結構;加上空氣濕度不足以使水蒸氣凝固,否則將導致結冰,或使水蒸氣凝結聚積成冰晶狀或顆粒狀的霧淞 (Rime)。通常,白霜直接黏在物體上,它比軟霧淞更輕,更像晶粒(或羽毛),你可以把它吹掉!而霧淞跟白霜在外觀上就是有一點差異,霧淞多了一道堆積冰層,比白霜更稠密和較堅硬。

白霜 (Hoar frost 或 White frost) , 霜結晶體 (Crystalline frost) ,霜晶, 霜花 (Ice flowers), 冰花
白霜是通過凝華過程 (Desublimation) 直接將水蒸氣轉變成固態的霜晶。

我稱下圖為冰花 (Frost flowers),因為它經常結伴成群地出現在冰面上,以別於上圖凝結在植物上的霜花 (Ice flowers),不過兩者在英文的用法上似乎剛好是倒過來。

冰花 (Frost flowers) 是一種輻射霜,具有精緻的羽狀冰晶結構,通常是入冬前出現在尚未完全結冰的湖面或溪流邊沿的冰面上,為罕見和非常短暫的自然現象。冰花盛開在空氣極其寒冷,以及微風的條件下,當乾燥的空氣從湖面吸走水分,而冰面上的溫度低於霜點,寒冷使得水蒸氣變得飽和,水蒸氣附在冰面的瑕疵上凝華變成冰晶,隨著晶體捕捉到更多水分成長,就會在其周圍結出更多霜晶,最終集合結成羽毛或卷鬚狀美麗的花瓣形狀,它們可以長滿在整塊冰面上,聚集形成一種壯觀的初冬特有現象。

白霜 (Hoar frost 或 White frost) , 霜結晶體 (Crystalline frost) ,霜晶. 霜花, Ice flowers, 冰花, Frost flowers
冰花 (Frost flowers) 是一種輻射霜,為罕見和非常短暫的自然現象。

也有科學家認為冰花是由某種真菌造成,因為他們發現在冰花中的細菌比在其下面冰凍的水中要密集得多,隨著冰花繼續吸收水氣,細菌使花朵茂盛生長,不過這個觀點目前尚待科學證實。冰花依靠寒冷來保持形態,當第一縷陽光照在它們身上時,這些薄而脆弱的冰上藝術品吸收了熱量便會立刻融化,並且消失在瞬刻之間。或者您可以在更陰涼處找到它們。

前述所謂「霜點」(Frost point),意味著空氣中的水蒸氣達到飽和而可以直接凝華成霜的溫度,它通常低於冰點。至於霜的大小取則決於溫度、以及在冰晶生長時有多少水蒸氣可用於養成冰晶。在陰涼的條件下,當氣流輸送新的水分時,白霜會在舊霜或雪上再次形成,形成美麗的風景。

霜花, Ice flowers, 冰花, Frost flowers, Cascade Ponds
在班芙 Cascade Ponds 長出冰花,當陽光照耀便會立刻融化。

平流霜 (Advection frost)

“Hoar” (霜)這個英文單字據說來自一個古英語形容詞,意思是「白髮蒼蒼」,它指的是樹木的霜冰看起來像滿頭白髮,頗有「老態龍鍾」之意,與華語形容「兩鬢風霜」有異曲同工之妙!另外有一種結霜條件,可以發生在任何時間,無論白天或晚上,稱為「平流霜」,使得像下圖的樹枝,猶如披上由小冰晶組成的白色半透明的外衣。

平流霜 (Advection frost) 也稱為「風霜」 (Wind frost),當非常寒冷的風吹過富含水分但相對溫暖的冷表面上時,通過平流過程產生「平流凍結」(Advective freezes) ,其原理類似我們打開冷藏庫的門,冷風吹過溫暖的冰箱門框時,會在門框上結出冰晶狀的霜冰,這種冰晶狀的霜晶具有微小尖刺的外觀,若依附在花草植物周圍,使它們的邊緣看起來就像鑲上鑽石花邊。當人們暴露在低於霜點的室外時,我們呼吸的暖氣流會使睫毛、鼻毛或鬍子都結上冰霜,真像「飽歷風霜」!也由於寒風促進「平流凍結」,乾燥的空氣會使我們的呼吸道變乾,也會導致皮膚開裂並更容易受到刺激過敏。

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平流霜 (Advection frost)具有尖刺狀的霜晶外觀,跟玫瑰一樣多刺。

霜首先會在最冷或最潮濕的物質上形成,平流霜取決於它形成的位置,可以有不同的名稱,和結出不同形式的霜花。例如積聚在木頭或金屬板等表面的表面霜 (Surface hoar)、鑲在植物邊緣上的蕨霜 (Fern frost) 或霜花 (Ice flowers),或者刻劃在汽車或透明玻璃表面上的窗戶霜 (Window frost),它會形成大面積的美麗霜紋,以及在河川瀑布附近背風面的岩壁裂縫中,出現羽毛晶體狀的裂縫霜 (Crevasse hoar) …… 等等。這些迷人的霜花姿彩,我以後若拍到更漂亮的照片再與大家分享!

我特別注意了出現在河川瀑布背風面的裂縫霜(如下圖),因為我們在前圖曾看過從瀑布飄來的水分凍結成雨淞冰,當轉個彎到了瀑布的背風面,那裡的水氣比迎風面減少很多,而且沒有甚麼風,就看到岩縫上掛滿了裂縫霜,這些霜花不是尖針形的,而是蕨形羽狀的晶體。

白霜 (Hoar frost 或 White frost) ,霜結晶體 (Crystalline frost) ,霜晶,裂縫霜, Crevasse hoar。
這些掛在岩縫上的蕨形羽狀晶體,稱為「裂縫霜」(Crevasse hoar)。

不是叫 Hoar 的都是霜

不是英文叫 “Hoar” 的都是霜,“Depth Hoar” 就不是霜,它是雪晶的另一種晶體形式!

在乾雪表層有時候會因為晝夜溫差過大,白天較高的溫度溫暖了整個雪層,到了晚上,雪層表面急劇降溫,但雪層內部溫度仍舊較高,使得雪層內部的水氣向上散發,會在雪層表面結成一層脆皮片狀的雪表面霜,稱為 Crust (如下圖)。另一方面,雪層內部的高溫差,也使雪層內部的雪晶結構轉變成為一些深白色的多面霜晶粒體,稱為 Depth Hoar,也因其刻面狀似砂糖而被稱為 Sugary snow 或 Faceted snow。這些多面體晶粒像沙子一樣堅硬,其彼此之間的結合力很差,當厚厚的新雪覆蓋在傾斜的雪洲時,舊雪中的這些霜晶層阻礙了新舊雪層之間的結合,形成一層空隙(脆弱層),這就是造成雪崩風險的最大原因。尤其山坡岩石表面更容易保持在零度甚至更高的溫度,使得岩坡更容易發生雪崩。

雪層表面結成的片狀表面霜(Surface hoar), 霜結晶體 (Crystalline frost) ,霜晶
雪層表面結成的片狀表面霜 (Surface hoar),構成雪崩潛在風險。

我最近讀到一篇有關 Black frost 的文章。Black frost (黑霜)或稱 Dry freeze 或 Killing frost,它嚴格來說根本不是霜。黑霜是最先在農作物中觀察到的一種 “霜凍損害” 現象,在過冷的環境下,寒冷將植物組織中的水分排出,從而在植物周邊結成細細白毛或捲曲成類似波浪的絲狀冰體,植物因而死亡並且變黑,故稱「黑霜」。所以有人說:「白霜是由外面的水形成,黑霜則由裡面的水形成!」

發霜似乎僅限於冬季早期,當時植物枝莖仍然充滿很多水分,若外部溫度遠低於冰點,但莖幹內部的溫度仍然高於冰點之上,莖幹內部液體隨而開始結冰而膨脹,這會破壞莖細胞結構並產生裂縫,體液最終從莖壁的孔隙中被擠出體外,然後受凍結冰長出白色細長像毛髮絲狀的 Ice hair (髮絲冰)。這些捲曲的冰毛髮其實是易碎的薄冰絲,它可以繼續 “生長”,像一捆絲帶般的纏裹著枝幹,直到莖幹所吸收的水分全部被排出來。我沒有髮絲冰的的照片,以這一張很像似的照片充數(當時不可能出現水珠)。

我沒有髮絲冰的的照片,以這一張很像似的照片充數。

本文資料來源,主要來自維基百科。

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