說不盡的水之三——冰雪之謎

陳仁政

每到冬季，冰上運(yùn)動(dòng)就會(huì)給人們帶來(lái)無(wú)窮的樂趣。冰為何如此滑溜？為何溜冰鞋能在冰面上滑得如此流暢？為何人在冰上容易滑倒？

早在19世紀(jì)，就有科學(xué)家提出：如果給冰施加壓力，冰的熔點(diǎn)就會(huì)降低。也就是說，只要有足夠大的壓強(qiáng)，冰就會(huì)更容易化成水。這種說法曾用于解釋冰面為什么這么滑。人們想當(dāng)然地認(rèn)為，冰刀那么鋒利，劃過冰面時(shí)冰面單位面積承受的壓強(qiáng)極大，肯定瞬間就融化了。有水了，冰面不就變滑了嘛！不過，進(jìn)一步仔細(xì)推敲后，人們發(fā)現(xiàn)這個(gè)聽起來(lái)似乎很有道理的解釋值得商榷。根據(jù)科學(xué)家計(jì)算，一個(gè)體重68千克的人穿著冰刀站在冰面上時(shí)，僅能讓冰的熔點(diǎn)降低0.0167℃。也就是說，壓強(qiáng)雖然能降低冰的熔點(diǎn)，但絕對(duì)達(dá)不到融化冰面的效果。于是，科學(xué)家又提出了摩擦生熱的假說。這個(gè)解釋似乎更加直觀：在冰面上運(yùn)動(dòng)的冰刀高速摩擦冰面，難道還不能生出足以融化冰面的熱量嗎？可是，這個(gè)假設(shè)沒法解釋一種常見的現(xiàn)象，那就是很多人一站到冰面上，動(dòng)都沒動(dòng)就摔倒了，根本還沒有摩擦生熱呢！因此，科學(xué)家們認(rèn)為，除了摩擦生熱，一定還有更特殊的原因。人們已經(jīng)想到了冰面滑是因?yàn)橛兴?，而前兩個(gè)假設(shè)就是為了解釋水從何而來(lái)。于是，又有人提出了第3個(gè)假說：冰的表層本來(lái)就有水。實(shí)際上，這個(gè)現(xiàn)象也很容易理解。在冰柜里放置兩塊冰，將它們輕輕地疊在一起。過幾個(gè)小時(shí)再打開冰柜，就會(huì)看到兩塊冰凍成一塊。物理學(xué)家認(rèn)為，這是由于冰塊表層覆蓋著薄薄的水層，當(dāng)兩塊冰的水層接觸就會(huì)凍在一起（接觸面消失）。

1987年，科學(xué)家們通過X射線成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，冰面上可能存在一層非常薄的水分子層，厚度約在100納米量級(jí)。當(dāng)水結(jié)冰時(shí)，每一個(gè)水分子都會(huì)通過氫鍵抓住其周圍的水分子，形成晶體結(jié)構(gòu)。但是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(wú)序地游蕩在表面。其實(shí)，基本上所有固體在接近熔點(diǎn)時(shí)都會(huì)在表面形成很薄的液體層?，F(xiàn)在，我們終于明白滑冰時(shí)冰面究竟發(fā)生了什么：薄薄的水分子層是你可以在冰上滑動(dòng)的初始原因。隨著冰刀越來(lái)越快地劃過冰面，摩擦生熱產(chǎn)生了更多的水，這讓你滑得越發(fā)順暢。

在不久之前，這一解釋還只是推測(cè)。因?yàn)楸娴乃畬訉?shí)在是太薄了，在實(shí)驗(yàn)中幾乎無(wú)法將其與冰區(qū)分開。不過，2017年，來(lái)自荷蘭的科學(xué)家通過使用兩束飛秒級(jí)的激光照射冰的表面，分析其與冰面水分子相互作用后的光譜，發(fā)現(xiàn)在-3℃的冰面上，有著4個(gè)分子厚的水層。在-30℃時(shí)，水層就只有2個(gè)分子厚了，此時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱也不足以讓冰融化了。也就是說，在-30℃以下的冰面上，你就不再能夠自如滑行了。

為什么世界上沒有兩片完全相同的雪花呢

科學(xué)家自16世紀(jì)就開始研究雪花的形狀，并發(fā)現(xiàn)“世界上沒有兩片完全相同的雪花”。為什么世界上沒有兩片完全相同的雪花呢？

根據(jù)《吉尼斯世界紀(jì)錄大全》，1986年11月1日，位于科羅拉多州的美國(guó)國(guó)家大氣研究中心的科學(xué)家克奈特在一個(gè)玻璃盤上收集到了世界上第一對(duì)完全相同的雪花。但是，吉尼斯世界紀(jì)錄所認(rèn)證的兩片完全相同的雪花，只能說在其所用的顯微鏡的精確度下完全相同；物理學(xué)上認(rèn)為兩件東西完全相同，指的是直到原子粒子都是完全相同的！這需要達(dá)到以下條件—相同的粒子，相同的分子結(jié)構(gòu)，它們之間有相同的化學(xué)鍵，在兩個(gè)完全不同的宏觀系統(tǒng)中（比如不能把一片雪花分成兩半，然后說這兩片相同）。

雪花晶體一開始會(huì)按著對(duì)稱模式生長(zhǎng)，但一旦達(dá)到一定的尺寸，就會(huì)發(fā)展成不對(duì)稱的六邊形。在顯微鏡下，大型復(fù)雜的雪晶體有數(shù)百個(gè)明顯的不同點(diǎn)。研究表明，一般的雪花大約由10¹⁹個(gè)水分子組成。雪花這些不同點(diǎn)的點(diǎn)位會(huì)形成數(shù)百萬(wàn)個(gè)發(fā)展方向，形成不同的結(jié)構(gòu)分支。雖然很多雪花非常相似，但如果你想要找到在結(jié)構(gòu)、分子或原子層面上完全相同的兩片雪花，在大自然中你是無(wú)法找到的。這種“無(wú)法找到”并非在地球的時(shí)間尺度上，對(duì)整個(gè)宇宙的時(shí)間尺度來(lái)說也是一樣的。如果你想知道在宇宙138億年的歷史中，你需要多少個(gè)地球才有機(jī)會(huì)出現(xiàn)兩片完全相同的雪花，答案是大約10的100兆次方個(gè)地球。

1988年5月，克奈特在發(fā)表于《美國(guó)氣象學(xué)報(bào)》上的一篇文章中寫道：“人們引證得最多的論斷之一，是關(guān)于雪花晶體沒有兩片是完全一樣的。這已為人類智慧所認(rèn)可，甚至這個(gè)研究領(lǐng)域的專家也不持什么異議?！睘榇?，美國(guó)郵政總局于2006年10月發(fā)行了一套印有精美雪花圖片的郵票。

屋檐上垂下的冰柱是怎樣形成的

要形成屋檐冰柱，必須要有兩種不同的溫度：屋面0℃以上，使屋面的積雪化成雪水之后從屋檐滴下；屋面的屋檐口在0℃以下時(shí)，滴下的雪水結(jié)冰。事實(shí)的確如此：傾斜的南邊屋面迎著陽(yáng)光，使屋面的溫度在0℃以上，于是積雪不斷化成雪水滴下；滴下的雪水到了屋檐口，而這里的溫度低于0℃（因?yàn)槲蓍芸诒认蜿?yáng)屋面更接近氣溫只有-2℃～-1℃的地面），就會(huì)在屋檐口迅速結(jié)成冰珠而且不斷繼續(xù)，最終往下連成冰柱。

設(shè)想有這樣的一幅圖畫：氣溫只有-2℃～-1℃的晴天，陽(yáng)光普照大地；但是，斜射的陽(yáng)光和地平面的夾角小，并沒有把地面加熱到0℃以上，讓雪化為水。不過，斜射的陽(yáng)光和屋面的夾角大，就能把屋面上的雪加熱到0℃以上，使其化為水。出現(xiàn)這種差異的原因是，陽(yáng)光照射物體所產(chǎn)生的加熱該物體的熱量與上述夾角的正弦成正比。例如，對(duì)于屋面的60°，sin60°≈0.866；對(duì)于地面的20°，sin20°≈0.342?？梢钥闯觯訜嵛菝娴臒崃?，是加熱地面的0.866/0.342≈2.53倍。所以，屋面上的積雪化成雪水滴下，而地面上的積雪則“按‘雪不動(dòng)”。