窗户上的冰花是怎样形成的？

2016年1月中下旬的一场大寒潮把全中国东西南北都冻透了。寒潮给人们的出行带来了极大的不便，也给人们带来一些生活上的困难。然而，大多数人总是积极的，乐观的，他们在网上晒出了各地冰雪中的美景，即使是待在家里，也有很多人在欣赏他们家窗户上结出的冰花。我也把家里窗户上的冰花拍了几张照片，为了看清原样，并没有作色彩的加工，只是放大了一些，而且把黑白对比作了一点调整。

为什么天冷了，窗户上会结出冰花呢？人们最简单地回答是，空气中的水蒸气，遇冷凝结了。但是，再细问一句，为什么会有这样绚丽、变化多端的“花”呢？这还是需要从水蒸气的凝结说起。

众所周知，通常情况下水有三种状态，气态（水蒸气）、液态（水）和固态（冰、霜、雪等，它们都是晶体），液态和固态又通称凝聚态。它们都有同一种分子即水分子构成，水分子由一个氧原子和两个氢原子组成，氢-氧-氢之间的交角为约104.5o。氧原子带负电荷，氢原子带正电荷。两个分子接近时，氢原子与另一个分子的氧原子能够相互吸引，这种分子间的作用称为氢键。

凝聚态表面动能较大的水分子可以离开液面或晶面成为气态（这个过程分别称为蒸发或升华，或统称气化），气态水分子也可以被凝聚体中的水分子以氢键力或其它分子间作用力相吸引，成为凝聚态中的分子（这个过程称为凝结）。一般情况下，气化和凝结这两个过程同时存在。在我们日常生活的绝大多数情况下，气化的过程是占着优势的，所以我们洗了的衣物能够晾干，这是因为空气中的水分子还不够多。如果一定空间内空气中水分子不断增加，气化的优势就越来越小，当水分子增加到一定数量时，气化和凝结两个过程会达到平衡，这时候，我们洗的衣物就晾不干了。我们称这时候空气中的水蒸气饱和了，或者说，空气中的相对湿度达到了百分之百。如果这时候再继续增加空气中的水分子，即超过了饱和状态，那么这些水分子将凝结起来。

大家知道，在一个容器中，气体分子越多，产生的压强就越大。空气中水分子越多，它产生的蒸气压也越大。我们把饱和的水蒸气所产生的蒸气压称为饱和蒸气压。利用这个概念，我们可以把上面所说的气化和凝结两个过程相互竞争的情况重新叙述一下：在蒸气压没有达到饱和时，气化过程占优势；当达到了饱和蒸气压，气化和凝结就达到平衡；当蒸气压超过了饱和蒸气压，那么凝结过程就会占优势。

饱和蒸气压是随温度而变化的。所谓温度升高，就是分子的平均动能增加，凝聚态的水分子就更容易离开凝聚体，跑到空中，这样，饱和蒸气压就升高。反之，温度降低，分子的平均动能减少，气态水分子就容易凝结，饱和蒸气压就降低。阴天下雨，蒸气压接近饱和，我们洗了衣服，晾在那里不容易干，但是烤一烤就干得快了。这就是因为温度升高，饱和蒸气压也升高，原来接近于饱和的蒸气压，现在不饱和了，气化过程优势明显了，衣服就容易干了。

说清楚这些之后，就可以来看窗户上霜产生冰花的问题了。

冬季，室外温度很低，窗户玻璃的温度也就会大大低于室内的气温。室内其他地方的空气靠近玻璃时，由于温度降低，其饱和蒸气压会降低，水蒸气超过了饱和状态，于是凝结就占了优势。如果玻璃温度不很低，那么水蒸气将凝结成水，如果玻璃温度足够低，那么水蒸气就凝结成冰霜。由于空气在靠近玻璃处变冷，冷空气密度较大，向下流动，边向下流动边下降温度。所以，我们可以看到，最先上霜的总是窗户玻璃的最下方，冰霜最厚的也在那里。

从分子运动的角度看，当空气分子靠近窗户玻璃时，分子把动能传给了玻璃，在空气靠近玻璃向下流动的过程中，动能降低的分子越来越多，他们就凝结起来了。它们是怎样凝结的呢？最开始，由于玻璃上总有一些尘埃，它们能够吸附水分子，并凝结起来，然后由于水分子的不断加入而体积越来越大。水分子是一个又一个地凝结到凝聚体上面，而且水分子向凝聚体接近的方向又是任意的、不规则的，因此，这种水的晶体（即冰霜）的生长与液体水的整体结冰又有所不同。一般地说，在凝聚体尖端部分能够接触到空气中水分子的可能性会更大，水蒸气也就容易凝结在那里，不断的凝结使尖端长得更长，如此不断重复，这样长出来的晶体往往呈羽毛状，形成美丽的冰花。如果时间足够长，水汽足够多，冰花也就越来越粗壮。但是，如果室内温度较高，冰霜在凝结形成的过程中同时在融化，融化了又凝结，这就与普通的冰差别不大了。我们在窗户玻璃的底部看到了往往是这样的冰。而在玻璃的上部则能够看到比较漂亮的窗花。

我家的窗户有两层，所以，当外面的温度并不很低时，窗户上往往并不挂霜。但是，在前几天，室外的温度下降到零下十多度时，外层的玻璃上也挂上了冰花。由于两层窗户之间只有较少的空气，所以窗花显得细小，而内层窗户又隔绝了许多热量，使得两层窗户之间温度很低，从而在形成窗花过程中较少地融化，这样形成的窗花格外细致，精巧。

本文一开始的列出的五张照片中，前三张在窗户玻璃的较上部分所摄，后两张在窗户玻璃的较下部分所摄。我们可以看到，上部窗户冰花的细部羽毛状结构比较纤细，而下部的结构则粗大得多。为了把上部的细小结构看得更加清楚，我把第二张照片中的一朵小冰花再放大了多倍，从中可以看到很多细小的“冰毛”。

最后，我们还顺便说一个似乎是另外的问题：为什么冰花只存在窗户玻璃的一面，靠室外的那一面为什么没有冰花？

是靠室外的那一侧玻璃温度高？显然不是，窗户玻璃的外面显然温度比室内一面为低。是室外的空气中没有水蒸气？也不是，室内空气中总是会有水蒸气的。你看有时候室外的木头上，草上也常常会结上霜的。

窗户玻璃的外面不结冰花，那是因为房舍里有人居住，其窗户玻璃的温度一般都高于室外的气温，也就是说，玻璃靠外一面的温度虽然较低，但室外空气的温度却更低。这样就不会发生像室内那样在玻璃附近饱和蒸气压低于空气中蒸气压的情况，室外空气中的水蒸气也就不会凝结在窗户玻璃之上了。