三九四九話寒冰

提到冬天，一個(gè)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(shí)現(xiàn)“潑水成冰”？……關(guān)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(yán)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(diǎn)（指露點(diǎn)低于零）以下，在地面或物體上凝華而成的白色冰晶。 在科學(xué)領(lǐng)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(dá)100%時(shí)，水分從空氣中析出的現(xiàn)象。它們的差別只在于露點(diǎn)（水汽液化成露的溫度）高于冰點(diǎn)，而霜點(diǎn)（水汽凝華成霜的溫度）低于冰點(diǎn)，因此只有近地表的溫度低于0℃時(shí)，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(yán)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(dāng)外界溫度為-50℃時(shí)，假設(shè)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(dá)到絕對零度時(shí)，冰也可以達(dá)到這個(gè)溫度。 冰最低溫度可以接近-273℃，那最高可以達(dá)到多少度呢？ 正常壓強(qiáng)環(huán)境下，冰的熔點(diǎn)為0℃。0℃水凍結(jié)成冰時(shí)，體積會增大。據(jù)觀測，封閉條件下水凍結(jié)時(shí)，體積增加所產(chǎn)生的壓強(qiáng)可達(dá)2500帕。 冰的熔點(diǎn)與壓強(qiáng)存在著一種奇妙的關(guān)系。在2200帕以下，冰的熔點(diǎn)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(diǎn)隨壓力增加而升高。其中，3530帕冰的熔點(diǎn)為-17℃，6380帕冰的熔點(diǎn)為0℃，16500帕冰的熔點(diǎn)為60℃，而20670帕冰在76℃時(shí)才熔化，被稱為名副其實(shí)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(yùn)動不失為冬季的一個(gè)絕佳選擇?；鶗o人們帶來很多樂趣。當(dāng)你“馳騁”于冰場時(shí)，是否想過一個(gè)問題，冰面為什么是滑的？這個(gè)問題看似簡單，實(shí)則困擾了科學(xué)家許多年。 關(guān)于冰面為什么是滑的，科學(xué)界有三種解釋。最為人們熟知的一個(gè)理論是“壓力融解說”，該學(xué)說誕生于100多年前?？茖W(xué)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(jì)，這種說法被認(rèn)為是解釋冰面為什么這么滑的“標(biāo)準(zhǔn)答案”。但后來的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，要想讓冰刀下的冰融化，需要非常高的壓強(qiáng)?；踊荣惖谋鏈囟戎辽俚陀?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(qiáng)大約是350帕，相當(dāng)于在1平方米面積上堆放3500噸的重物，這需要運(yùn)動員非常重的體重才能達(dá)到要求。但事實(shí)是，人們所見到的滑冰運(yùn)動員大多身輕如燕，明顯達(dá)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(xué)家又提出了兩個(gè)導(dǎo)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(rèn)為，在冰面滑行時(shí)，冰刀與冰面之間進(jìn)行快速摩擦，在這個(gè)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(gè)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(shí)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(diǎn)以下也沒有完全結(jié)成冰。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水結(jié)冰時(shí)，每一個(gè)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(gòu)，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(gòu)，只能雜亂無序地游蕩在表面。當(dāng)物體與冰面接觸時(shí)，不需要太高的壓強(qiáng)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(xué)家認(rèn)為“表面融化說”更加靠譜，但關(guān)于冰面為什么很滑的原因，科學(xué)界仍然是百家爭鳴，沒有得出統(tǒng)一答案。（宛霞） 程度：體驗(yàn)“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(shí)間，隨著寒潮“凍透”大半個(gè)中國，很多人也嘗試了一把東北特有的娛樂項(xiàng)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(gè)國家級氣象站中有10個(gè)站最低氣溫跌破1月上旬歷史同期極值，更有6個(gè)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(yàn)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(shí)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(yù)報(bào)員任麗表示，“潑水成冰”其實(shí)就是水汽結(jié)冰的現(xiàn)象，即相態(tài)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)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(dá)到“潑水成冰”需要兩個(gè)條件：一是氣溫達(dá)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(dāng)氣溫高于-40℃時(shí)，還不足以實(shí)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(dāng)氣溫沒有到-40℃以下，卻有大風(fēng)相助，能迅速帶走水汽中的熱量時(shí)，“潑水成冰”也有可能實(shí)現(xiàn)。 “不過，有時(shí)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(dāng)晚大部分人體驗(yàn)的可能是假的“潑水成冰”。 同時(shí)，熱水的確比冷水更易結(jié)冰。這是因?yàn)闊崴c空氣的巨大溫差是實(shí)現(xiàn)“潑水成冰”的關(guān)鍵。 此外，“潑水成冰”其實(shí)與水汽顆粒大小也有關(guān)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(shí)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(shí)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(yù)報(bào)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(fēng)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(zāi)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(jiān)實(shí)冰層，從而使物體負(fù)重加大，嚴(yán)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(dāng)電線上的霧凇嚴(yán)重時(shí)也會折斷電線，造成停電事故。結(jié)冰嚴(yán)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(jì)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(jì)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(zāi)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(qiáng)度增加。”張峰認(rèn)為，這是因?yàn)槿蜃兣蠖練鉁剌^以前升高，因此導(dǎo)致發(fā)生頻次降低；但同時(shí)，極端天氣事件增多，冰凍天氣極端性有所增強(qiáng)。