雪花是水冰的一种特殊形式，形成于云层中，由水汽直接凝华而成固态冰晶。形成降雪必须具备两个条件：水汽饱和和空气中存在凝结核。凝结核是悬浮在空中的微小固体微粒，如尘埃、盐粒或其他化学物质微粒。雪花晶体的大小和形态与水汽凝华结晶时的温度密切相关。
温度对雪花形态的影响
雪花的形态主要受温度和环境湿度支配。不同温度下，水分子会形成不同结构的冰晶：
- 0℃至-3℃：生成薄薄的六角板状冰晶，此时雪花形状最大、最完整。相对温暖的条件下雪花生长速度更慢，可能形成更平滑、更复杂的形状。
- -3℃至-5℃：形成针状冰晶。针状雪晶通常在温度介乎摄氏零度至摄氏零下五度时形成。在中等高度的云中，也能形成针或平的六面晶体。
- -5℃至-8℃：形成棱柱状冰晶。六角柱体的冰晶通常在高云形成，因为雪层越高，温度越冷。较冷的温度会在晶体两侧产生尖锐的尖角，并可能导致雪花臂（树枝状晶体）分支。
- -8℃至-25℃：冰晶可为板状、圆盘状、星状。当温度在-10℃至-20℃内，雪花会向扁平方向生长出树枝状、星盘状等复杂结构。约-15℃且水汽充沛时，雪花可发育得非常充分，形成复杂精致的枝状晶体（树突），这是最为人熟知的雪花形状。典型的六角形扁平片状雪花约在摄氏零下十五度左右形成。
- 低于-25℃至-30℃：结晶又呈现为缺乏枝瓣结构的六边形、六棱柱状。六角柱状的雪花通常在高云形成。若温度低于摄氏零下三十度，六角柱体的冰晶便形成。非常严寒时形成的雪花晶体很小，直径往往不足0.05毫米，肉眼几乎看不见，呈细粉状，被称为干雪。
雪花在降落过程中会穿越不同温湿度的气层，其形态变化被完美记录在生长轨迹中。环境温度的动态变化导致雪花形态的无限多样性。
雪花对称性的科学原理
雪花的对称性源于其内部水分子的有序排列。水分子（H₂O）由两个氢原子和一个氧原子通过共价键结合。当液态水冷却至凝固点，水分子利用氢键彼此连接，形成固态冰晶。最稳定的排列方式是六个水分子以六边形形状结合，这决定了大多数冰晶的基本六角形结构。在结晶过程中，水分子自我调整以最大化吸引力并使排斥力最小化，以预定的空间和特定方式排列，保持对称。冰晶的六个棱角在共享的相同生长环境下同步向外延伸。每个到达棱角尖端的水分子会沿晶格结构自动寻找最稳定位置，这种自组织过程在六个方向上以高度精确度重复上演。环境参数的均质性，如相同的温度波动、湿度变化和气压起伏，使得六个棱角如同被同一指挥家引领，奏出和谐的对称旋律。然而，绝对对称只是理想状态。真实大气中的微观湍流会造成局部细微环境差异，导致微观缺陷分布带有独特特征。这些微小偏差经过生长积累，最终会打破完美的几何平衡。雪花的对称性本质上是环境均质性的镜像反映。从量子物理角度观察，冰晶生长是熵增与能量最小化的动态平衡，是无数微观粒子在概率云中寻找最优路径的宏观显现。这种自组织现象不仅存在于冰雪世界，在矿物结晶、生物形态发生等领域也能找到相似原理。
雪花与气候变化
雪花的形态正成为环境监测的新指标。科学家发现，随着大气中凝结核成分的改变，某些地区雪晶的对称性出现了统计学上的显著变化。这些微观结构的变异，如同自然界设置的精密传感器，无声记录着人类活动对大气层造成的深远影响。在气候变化的背景下，研究雪花形态的变化有助于理解全球气候系统的细微变化。雪花对环境条件的高度敏感性使其成为大气状况的天然记录者。每一片雪花都携带着独特的环境记忆，其对称性诉说着共同的生命密码——那是水分子在时空长河中写就的冰晶诗篇。
雪花形成的物理过程
雪花的形成始于云层中的微小冰核（凝结核），如尘埃、盐粒或杂质。水蒸气在这些冰核上凝华增长，形成初始的冰晶核心。在有冰晶和过冷却水滴共存的云中，由于冰面的饱和水汽压比过冷却水面的饱和水汽压小，当实有水汽压介于两者之间时，会发生"冰晶效应"。过冷却水滴会蒸发减小，而水分子不断由水滴向冰晶转移，使冰晶因凝华而增大。这是混合云形成降水的重要机制。冰晶的基本模式是六角棱体，大部分冰晶的雏形都是六角形的。当更多水分子与冰晶结合后，会由第一个六角形开始保持冰晶形状继续向外生长。雪花可能遇到许多不同的环境条件，有时会融化，有时会导致生长，总是在改变其结构。污垢和灰尘颗粒会混入水中，影响结晶的重量和耐久性，可能导致裂缝和水晶碎裂，使其更容易融化。雪花从形成到落地需要数十分钟，其结构随环境条件不断变化，记录了它独特旅程的环境历史。每一片雪花都是大气中特定时间、特定地点、特定路径上水分子凝结艺术的独一无二的作品。