三九四九話寒冰

提到冬天，一個繞不開的話題就是“冰”。俗語有云，一九二九不出手，三九四九冰上走。眼下正值四九天兒（2021年1月17日至25日），黑龍江哈爾濱的冰雪大世界晶瑩剔透，北京玉淵潭八一湖滑冰場內(nèi)人頭攢動。極寒天氣里，冰到底可以有多冷？冰面為何滑溜溜？如何實現(xiàn)“潑水成冰”？……關于冰的奧妙，我們來聊聊。 溫度：從冷若冰霜說起，冰可以有多冷？ “冷若冰霜”，意思是像冰霜一樣寒冷，比喻待人接物態(tài)度冷漠，毫無熱情；或比喻態(tài)度嚴正，不可接近。人們?yōu)槭裁匆帽獊碜鞅扔?？在自然界中，冰和霜到底有多冷？冰又會冷到什么程度?冰和霜都是大氣中的一種水汽凝結(jié)（華）現(xiàn)象。霜，是指貼近地面的空氣受地面輻射冷卻的影響而降溫到霜點（指露點低于零）以下，在地面或物體上凝華而成的白色冰晶。 在科學領域中，霜由冰晶組成，和露的出現(xiàn)過程是相同的——都是空氣中的相對濕度到達100%時，水分從空氣中析出的現(xiàn)象。它們的差別只在于露點（水汽液化成露的溫度）高于冰點，而霜點（水汽凝華成霜的溫度）低于冰點，因此只有近地表的溫度低于0℃時，才會結(jié)霜。無論是晶瑩剔透的冰塊，還是銀白閃亮的寒霜，它們都是嚴寒天氣的產(chǎn)物。人一旦接觸它，就會覺得寒氣逼人。所以，把冰霜比喻待人接物的冷淡態(tài)度是很形象的。 一般來說，冰的溫度可以等于0℃，也可以低于0℃，其最低溫度也可以無限接近-273℃（絕對零度）。這可以用熱量守恒定律來解釋。當外界溫度為-50℃時，假設冰是0℃，則冰的熱量一定會散發(fā)出來，朝著-50℃降低，直到等于外界溫度就不再發(fā)生變化。一杯熱水，放久了，熱量會散發(fā)出來，直到等于室內(nèi)溫度。同樣，從冰箱拿一瓶飲料，也會不斷吸熱，直到等于室內(nèi)溫度。所以，外界溫度達到絕對零度時，冰也可以達到這個溫度。 冰最低溫度可以接近-273℃，那最高可以達到多少度呢？ 正常壓強環(huán)境下，冰的熔點為0℃。0℃水凍結(jié)成冰時，體積會增大。據(jù)觀測，封閉條件下水凍結(jié)時，體積增加所產(chǎn)生的壓強可達2500帕。 冰的熔點與壓強存在著一種奇妙的關系。在2200帕以下，冰的熔點隨壓力的增大而降低，大約每升高130帕降低1℃；超過2200帕后，冰的熔點隨壓力增加而升高。其中，3530帕冰的熔點為-17℃，6380帕冰的熔點為0℃，16500帕冰的熔點為60℃，而20670帕冰在76℃時才熔化，被稱為名副其實的“熱冰”。不過，這種冰是不能自然生成的，它只能靠人工制取。（李慧） 速度：冰面為何滑溜溜？ 冰上運動不失為冬季的一個絕佳選擇?；?，往往會給人們帶來很多樂趣。當你“馳騁”于冰場時，是否想過一個問題，冰面為什么是滑的？這個問題看似簡單，實則困擾了科學家許多年。 關于冰面為什么是滑的，科學界有三種解釋。最為人們熟知的一個理論是“壓力融解說”，該學說誕生于100多年前?？茖W家提出，如果用冰刀給單位面積的冰施加很大壓力，這種壓力會使接觸面的冰融化，形成薄薄的水層，水層會起到很好的潤滑作用，使摩擦系數(shù)變得非常小，便可以滑冰了。 在19世紀，這種說法被認為是解釋冰面為什么這么滑的“標準答案”。但后來的科學研究發(fā)現(xiàn)，要想讓冰刀下的冰融化，需要非常高的壓強。花樣滑冰比賽的冰面溫度至少低于-3.5℃，短道速滑、冰球等比賽的冰面溫度則更低。要想讓冰在-3.5℃融化，需要的壓強大約是350帕，相當于在1平方米面積上堆放3500噸的重物，這需要運動員非常重的體重才能達到要求。但事實是，人們所見到的滑冰運動員大多身輕如燕，明顯達不到要求。 在“壓力融解說”不能合理解釋冰面為什么滑之后，科學家又提出了兩個導致冰面很滑的原因——“摩擦融解說”和“表面融化說”。 “摩擦融解說”認為，在冰面滑行時，冰刀與冰面之間進行快速摩擦，在這個過程中產(chǎn)生的熱量使冰融化，融化產(chǎn)生的水起到了潤滑劑的作用，所以冰面很滑。但這個理論也有缺陷，那就是冰面不是一般的滑，很多人一站到冰面上，動都沒動就摔倒了，根本沒有摩擦生熱的時間。 “表面融化說”則指出，冰的表面存在一層薄薄的類似液態(tài)的水，即使在冰點以下也沒有完全結(jié)成冰?？茖W家研究發(fā)現(xiàn)，當水結(jié)冰時，每一個水分子都會通過氫鍵抓住其周圍的水分子，形成晶體結(jié)構，但表層的水分子周圍缺少其他水分子，因此沒有辦法形成如冰塊內(nèi)部那般規(guī)則的結(jié)構，只能雜亂無序地游蕩在表面。當物體與冰面接觸時，不需要太高的壓強就能讓這些水不斷地潤滑物體與冰層的接觸面，從而使冰面很滑。 截至目前，盡管大多數(shù)科學家認為“表面融化說”更加靠譜，但關于冰面為什么很滑的原因，科學界仍然是百家爭鳴，沒有得出統(tǒng)一答案。（宛霞） 程度：體驗“潑水成冰”需要幾步？ 人們總用“潑水成冰”來表現(xiàn)冬季溫度之低、天氣之寒冷。前一段時間，隨著寒潮“凍透”大半個中國，很多人也嘗試了一把東北特有的娛樂項目——“潑水成冰”。 1月7日，北京出現(xiàn)自1966年之后最冷的早晨，20個國家級氣象站中有10個站最低氣溫跌破1月上旬歷史同期極值，更有6個站氣溫跌破建站以來歷史極值。 就在最冷早晨出現(xiàn)的前一天，不少從未體驗過“潑水成冰”的人端著熱水走出家門，感受這一樂趣。但不少人發(fā)現(xiàn)，熱水潑出去后并沒有直接形成冰晶，而是仍然以液體相態(tài)落下。 究竟什么條件才能真正實現(xiàn)“潑水成冰”，熱水真的比冷水更容易結(jié)冰嗎？ 黑龍江省氣象臺首席預報員任麗表示，“潑水成冰”其實就是水汽結(jié)冰的現(xiàn)象，即相態(tài)的轉(zhuǎn)換。當熱水被潑到空氣中，周圍會形成大量水汽，空氣中巨大的溫差使水汽迅速凝華成冰晶，這樣就形成了“潑水成冰”的現(xiàn)象。 想要達到“潑水成冰”需要兩個條件：一是氣溫達到-40℃以下，二是水的溫度在90℃以上。 理論上講，過冷水瞬間成冰的臨界溫度是-40℃。當氣溫高于-40℃時，還不足以實現(xiàn)“潑水成冰”，被潑出去的水只是外層迅速結(jié)冰，內(nèi)部仍是水。但當氣溫沒有到-40℃以下，卻有大風相助，能迅速帶走水汽中的熱量時，“潑水成冰”也有可能實現(xiàn)。 “不過，有時雖然不能瞬間將水汽凝華為冰晶，但形成的水汽也有‘潑水成冰’的視覺效果?！比嘻愓f。 觀測資料顯示，1月6日晚的北京氣溫介于-10℃到-20℃之間。由此推測，當晚大部分人體驗的可能是假的“潑水成冰”。 同時，熱水的確比冷水更易結(jié)冰。這是因為熱水與空氣的巨大溫差是實現(xiàn)“潑水成冰”的關鍵。 此外，“潑水成冰”其實與水汽顆粒大小也有關系，顆粒越小接觸面積越大，結(jié)冰就越快，形成的“潑水成冰”現(xiàn)象越美。一盆水即使溫度再低，凝結(jié)成冰都需要時間，但如果是潑水造成的一滴一滴水，在溫度迅速下降的情況下，就會迅速結(jié)冰。（谷星月 韓志鵬 韓冰） 廣度 ：天寒地凍草木皆“冰” 到了冬天，最困擾人們的天氣之一就是冰凍天氣，有時可謂天寒地凍、草木皆“冰”。 我們通常將能夠?qū)е聝鼋Y(jié)的天氣過程統(tǒng)稱為冰凍天氣。據(jù)中央氣象臺副首席預報員張峰介紹，我國冰凍天氣主要包括結(jié)霜、霧凇、雨?。▋鲇辏┖徒Y(jié)冰等類型，其往往伴隨著低溫、雨雪、寒潮等。 不同類型的冰凍，產(chǎn)生原因各自不同，但低氣溫、高相對濕度和弱風速是產(chǎn)生冰凍的重要條件。冰凍天氣受地形地貌影響較大，山區(qū)比平原多；海拔高度增加，冰凍日數(shù)也增加，霧凇受海拔高度影響更為顯著。 結(jié)霜和結(jié)冰在全國多數(shù)地區(qū)分布較廣，而霧凇主要出現(xiàn)在長江以北，新疆北部是我國霧凇日數(shù)最多的地區(qū)。雨凇發(fā)生的區(qū)域大部分集中發(fā)生在長江以南，占了總數(shù)的90%以上，其中貴州最多，其次為湖南和江西。另外，河南東南部、河北中南部也是雨凇發(fā)生相對集中的區(qū)域。東北地區(qū)出現(xiàn)大范圍雨凇天氣的情況較為少見，2020年11月出現(xiàn)在吉林的雨凇是較為罕見的。 冰凍是我國冬季的主要災害性天氣，對電力、交通、農(nóng)業(yè)等危害極大。雨凇能粘附在裸露物的外表形成越來越厚的堅實冰層，從而使物體負重加大，嚴重的雨凇會壓斷樹枝、電線甚至壓塌房屋。霧凇的密度小、重量輕，對于電線、樹木的破壞性要比雨凇小得多。當電線上的霧凇嚴重時也會折斷電線，造成停電事故。結(jié)冰嚴重影響交通出行，造成交通事故增多；結(jié)霜、結(jié)冰都對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大，會凍死凍傷越冬作物，大面積破壞幼林、凍傷果樹等。 1960年以來，我國大部分地區(qū)的年冰凍日數(shù)有減少的趨勢，其中在20世紀80年代末以后減少尤為顯著，而大范圍持續(xù)性冰凍天氣過程主要出現(xiàn)在20世紀80年代后期之前。目前，我國大部地區(qū)年最大冰凍厚度有增加的趨勢，最典型的就是2008年初出現(xiàn)的南方大范圍雨雪冰凍災害天氣，其造成的影響至今讓人記憶猶新。 “這表明在全球變暖的氣候背景下，我國大部分地區(qū)的冰凍天氣發(fā)生頻次減少，但強度增加。”張峰認為，這是因為全球變暖后冬季氣溫較以前升高，因此導致發(fā)生頻次降低；但同時，極端天氣事件增多，冰凍天氣極端性有所增強。