說不盡的水

陳仁政

每到冬季，冰上運動就會給人們帶來無窮的樂趣。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，冰的熔點就會降低。也就是說，只要有足夠大的壓強，冰就會更容易化成水。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，劃過冰面時冰面單位面積承受的壓強極大，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)這個聽起來似乎很有道理的解釋值得商榷。根據(jù)科學(xué)家計算，一個體重68千克的人穿著冰刀站在冰面上時，僅能讓冰的熔點降低0.0167℃。也就是說，壓強雖然能降低冰的熔點，但絕對達(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。這個解釋似乎更加直觀：在冰面上運動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，動都沒動就摔倒了，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)想到了冰面滑是因為有水，而前兩個假設(shè)就是為了解釋水從何而來。于是，又有人提出了第3個假說：冰的表層本來就有水。實際上，這個現(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。過幾個小時再打開冰柜，就會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。當(dāng)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(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)，只能雜亂無序地游蕩在表面。其實，基本上所有固體在接近熔點時都會在表面形成很薄的液體層?，F(xiàn)在，我們終于明白滑冰時冰面究竟發(fā)生了什么：薄薄的水分子層是你可以在冰上滑動的初始原因。隨著冰刀越來越快地劃過冰面，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。因為冰面的水層實在是太薄了，在實驗中幾乎無法將其與冰區(qū)分開。不過，2017年，來自荷蘭的科學(xué)家通過使用兩束飛秒級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個分子厚的水層。在-30℃時，水層就只有2個分子厚了，此時摩擦產(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國家大氣研究中心的科學(xué)家克奈特在一個玻璃盤上收集到了世界上第一對完全相同的雪花。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）。

雪花晶體一開始會按著對稱模式生長，但一旦達(dá)到一定的尺寸，就會發(fā)展成不對稱的六邊形。在顯微鏡下，大型復(fù)雜的雪晶體有數(shù)百個明顯的不同點。研究表明，一般的雪花大約由1019個水分子組成。雪花這些不同點的點位會形成數(shù)百萬個發(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，在大自然中你是無法找到的。這種“無法找到”并非在地球的時間尺度上，對整個宇宙的時間尺度來說也是一樣的。如果你想知道在宇宙138億年的歷史中，你需要多少個地球才有機會出現(xiàn)兩片完全相同的雪花，答案是大約10的100兆次方個地球。

1988年5月，克奈特在發(fā)表于《美國氣象學(xué)報》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，甚至這個研究領(lǐng)域的專家也不持什么異議?！睘榇?，美國郵政總局于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，滴下的雪水結(jié)冰。事實的確如此：傾斜的南邊屋面迎著陽光，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℃（因為屋檐口比向陽屋面更接近氣溫只有-2℃～-1℃的地面），就會在屋檐口迅速結(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，陽光普照大地;但是，斜射的陽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，對于屋面的60°，sin60°≈0.866;對于地面的20°，sin20°≈0.342?？梢钥闯?，加熱屋面的熱量，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”。

（楊樂摘自《百科知識》2021年第6期）