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一只手拿着一块冰块在拍照,中心部分的白色区域是为微小的空气气泡。

,也就是冻结成固态的。或者是由甲烷和二氧化碳形成,取决于冰内含的杂质(如土壤或气泡颗粒),冰可以是透明的、或著带有一点不透明的蓝白色。

在太阳系中冰的含量非常丰富。从最接近太阳的水星,到离太阳极远的欧特云,都会生成冰。在太阳系以外的地方,英文称“冻结成固态的水”为"interstellar ice"(星际冰)。冰在地球表面存量极大,尤其是在极地地区和雪线以上[1]。而且,作为地表沉淀物和沉积物的一种常见形式,冰在地球的水循环和气候上起著关键的作用。它可能以雪花、冰雹、霜、冰锥或冰柱等形式出现。

冰分子可依温度和压力,表现出高达十六种不同的形态(分子堆叠形状)。当水被迅速冷却后,根据其经过的压力和温度,可生成多达三种不同型态的“冰”。当水慢慢冷却,到达20K以下(约−253.15℃)时,量子穿隧效应可能引起宏观的量子现象。几乎所有在地球表面和大气层里的冰,都是六角形晶体结构; 相较之下,地表只会产生微量的立方体形冰。其中最常见的生成方式为:当液态水在标准大气压(1atm)下冷却到低于0°C(273.15K,32°F)时,产生六角形晶体冰。冰也可通过水蒸汽直接沉积(凝华),如霜的形成就是一个很好的例子。从冰变成水的过程被称为熔化,而从冰直接变成水蒸的过程则被称为升华

冰在各种地方都被广泛地运用着,包括制冷、冬季运动、和做成冰雕等。

冰晶在显微镜之下呈现的样子
冰岛海岸上四吨重的浮冰

冰的特性

水结成冰(六角结晶形)的三维晶体结构(c)(2),是由许多的H-O-H分子(b),以平面六角形的格状分布所构成的(a)。H-O-H的角度和O-H键的长度,是由冰的物理性质[2]所决定的,并分别具有±1.5°和±0.005Å的不确定性。而 (c)(1)中不明显的白色线条(需放大才可清楚看到),则是用来标明并分隔相邻的单位晶格[3]

冰是一种天然存在,且由水分子组成的“结晶无机固体”。因此,它是以水分子“一个氧原子共价结合两个氢原子”,或表示为 H–O–H的规律结晶所构成。然而,许多水和冰的物理性质,是由氧原子和相邻氢原子之间所形成的氢键来控制。虽然氢键属于弱键,但它仍然对水和冰的结构有至关重要的影响。

冰在大气压力下,拥有一个非常不寻常的特性:冰固体的密度比液体水小了大约8.3%。冰在0℃,一大气压时的密度为 "0.9167公克/立方公分"[4],而水在相同条件下的密度约为" 0.9998公克/立方公分"。在普通的大气压力下,水在4℃时,密度是最大的(约1.00公克/立方公分),并且随着水分子渐渐结晶,总体密度逐渐变小。这是由于氢键的影响超过了分子间的凡得瓦力,导致水分子在固体时填充地较不致密。冰的密度在温度下降时会略微增加,并且在温度达到 -180℃(93 K)时,密度变为0.9340公克/立方公分[5]

当水结冰的时候,它的体积会增加约9%。[6]水在结冰时膨胀的效果是极为巨大的,结冰膨胀是风化现象中冻融风化的基础原因,也会造成建筑物地基的损坏和道路凹凸抬起。水管因结冰的压力而爆裂,也是房屋漏水的常见原因。

这个现象所导致的结果是,冰(在其最常见的形式)会浮在液体的水中,这也是地表生物圈的重要特征之一。许多科学家相信,假如冰没有这种特性的话,大部分的天然水体将会暂时、甚至在某些情况下永久从上到下完全冻结[7],导致淡水和海水动植物的大量死亡。结冰时厚度恰到好处的薄冰层,在允许光线通过的条件下,同时防止了外界环境导致短期的极端温度变化,如寒风吹过的情况。这为细菌和藻类菌落制造了一个有充分遮挡的环境。当海水结冰时,冰层中充斥着被盐水填满的复杂小通道,而维持细菌、藻类、桡足类和环节动物等生物的生存; 这反过来又为其他动物:如磷虾和特化的鱼(如博氏南冰䲢)提供食物; 并因此喂养了较大的动物,如皇帝企鹅和须鲸等。[8]

当冰融化时,它会吸收约等于同等质量的水加热至80℃的热量。在熔化过程中,温度会恒定地保持在0℃。而熔化时,外界加入的能量会被用来打破冰(水)分子之间的氢键。只有在足够的氢键被破坏,冰的状态已经变成可以被当作是液态水时,加入的能量才会使热能(温度)增加。在从冰变成水的过程中,断裂氢键所消耗的能量被称为熔解热

就和水一样,冰在吸收可见光时,会因为氢氧键(O-H)的关系,主要吸收光谱上偏红色的部分。与水相比,这种吸收略为向光谱能量较低的部分偏移。因此,冰看起来带点蓝色; 而且和液态水相比,带有略为绿一点的颜色。因为吸收效应是累积的,颜色效应会随着厚度的增加而加剧(或者如果因为内部反射,导致光需要在冰中通过较长的路径的话)。在光线照射下,冰也可能因为有杂质吸收光,而呈现其它的颜色。在这种情况下,产生的颜色主要由内含的杂质决定,而不是冰本身。例如,含有杂质的冰山(如:沉淀物、藻类、气泡......)可能会出现棕色、灰色、或绿色。[9]

纽约东南部的冰瀑

冰的光滑性

最初,科学家认为冰会滑的原因是:当物体与冰接触时,界面施加的压力导致最表面的一层薄冰融化,并使得物体容易在冰水的交界滑动。[10]例如,当溜冰鞋的刀片在冰面上施加压力时,会将接触部分的冰溶化,并在冰和刀片之间提供润滑。这种解释,也就是所谓的“压力熔化论”,最初起源于19世纪。然而,它并没有考虑当溜冰时冰的温度低于-4.0℃的情况,而这在溜冰时往往很普遍。

另一个同样古老的解释是:表层的冰分子,和冰内部的其他部分结合得并不是很稳固(因此便如同液态水分子般的自由移动)。这些分子处于类似半液体的状态,在不管多大或多小的压力下,皆可以为物体提供润滑。然而,这种假设的正确性,在使用扫描探针显微镜发现冰的摩擦系数应该很高后,受到了质疑。[11]

在20世纪,科学家提出了另一个解释 :摩擦生热,即摩擦时所产生的热量是冰层融化的主要原因。然而,这个理论不能充分解释为什么即使在零度以下的气温,站立在冰上时仍然容易滑倒。[12]

最近几年,针对冰的实际摩擦状况,出现了一个考虑所有上述摩擦机制的综合理论。[13]这个模型对冰的摩擦情形进行数据分析,并且针对各种材料,以温度的变化和滑动速度来做量化计算。在仔细计算常见的情况(如冬季运动和冰上的车轮)后发现,“摩擦加热”所产生的冰层表面熔融,是造成冰容易滑动的主要原因。

冰在自然界中的存在

阿尔塔 (挪威)拍摄的羽状冰照片,这种冰晶一般在−30 °C以下的温度形成。

冰是全球气候的关键组成部分之一,尤其在水循环的部分起着重要的作用。冰川和积雪是淡水的重要储存机制; 随着时间的推移,它们可以升华或融化,并重新变成淡水加入循环。融雪也是季节性清水的重要来源。世界气象组织由产地、规格、形状、影响......等定义了许多种不同名称的冰。[14]其中,天然气水合物,是指其晶格内含有天然气分子的冰形态。

海洋中的冰

海洋中的冰,可能以漂浮在水中的浮冰形式,或著是以固定在海岸线或海底的固着形式出现。从冰架或冰川剥落下来的大量冰块,可能形成巨大的冰山。有时海冰会因海流和风所产生的压力,而互相碰撞挤压,而且形成在某些情况下甚至可以高达12米(超过四层楼)的高耸山脊。船只在通过充满海冰的区域时,一般都会选择穿过不同冰体之间海面的较空旷处,或著必须使用一种特殊的船舶 - 破冰船

陆地上的冰

下过冻雨后,树上凝结的冰晶

陆地上的冰体大小相差极端,覆盖范围从最大型的冰盖、到更小的冰帽冰原、至冰川和流动的碎冰、山上的雪线、平地的雪地......不等。

积冰是一种具有层状结构的冰,一般都形成于极地地区、或副极地地区的山谷之中。当河床结冰后,正常的地下水流动被阻碍,并导致当地的地下水位上升,使得水流从冰层的顶部流出。流出的水自然的被冻结,造成水位进一步上升,并重复该循环。最后产生一个分层的冰沉积物,通常厚达数米。

冻雨,是一种在冬天落下,一碰到物体便结冰的雨。冻雨落到物体上结冻之后,累积之下有时会产生冰锥。这种方式所产生的冰锥,外观看起来非常类似钟乳石;或著当水滴落、并重新冻结后,变成石笋状的形式。

河流里的冰

冻结的小溪

在流动的水域中形成的冰,和形成于平静的水域中的冰相比,往往较不稳定和不均匀。当原本流动的碎冰堆成块后,便成为冰坝英语ice dam,是冰对河流威胁最大的形态。冰坝有时会引起洪水泛滥,破坏河中或河附近的建筑结构,并使河上的船只损坏。冰坝甚至可能会导致一些水电工业设施完全关闭。冰川活动所产生的冰坝也是堰塞湖的成因之一。河流中漂浮的巨型碎冰,不但会损坏船只,还会让破冰船难以航行。

冰圈是在河中形成的圆形冰结构。

煎饼冰(松饼冰),是一种一般于较不平静的水中形成的冰。

湖泊中的冰

在平静的水中,冰会先由岸边开始生成,并产生薄薄的一层冰层在水域表面扩散,然后渐渐向下结冻。湖泊冰一般有四种类型:初形(Primary)、中形(secondary)、叠加形(superimposed)和结块形(agglomerate)[15][16]初形的冰最先出现。冰的中形接下来则以平行于热量流动的方向,于初形冰的底下形成。而当雨或水流从冰的裂缝渗入时,便可能形成叠加形的冰。

当浮冰在风吹之下堆叠在湖岸时,便成为湖架冰英语shelf ice

蜡烛冰英语candle ice,是和湖面垂直发展的柱状冰,属于蜂窝状冰英语rotten ice的一种形式。

空中的冰

冰珠堆

雾凇

当小水滴在冰冷的物体上结冻时,便形成雾凇。在晚上温度降低且产生雾气时,便可能观察到这个现象。软凇的成分中,很高的比例都是被困在结晶里的空气,所以它看起来较为白色不透明,并且密度只有纯冰的四分之一。硬凇则相较之下密度较大。

冰珠

冰珠[17]是固态降水的一种,由雪花落下时融化再凝固所形成,外形为半透明冰球,比雹还小。

冰雹

直径超过6公分的大冰雹

雪花

钻石尘

冰的作用

特殊的冰

热冰:除了前面提到高压下形成的热冰之外,重水(D2O)在3.8℃时结冰,成为另一种形式的“热冰”。

一般被称为干冰的物质实际是二氧化碳固体状态,与水没有关系。

参见

参考文献

  1. ^ Prockter, Louise M. (2005). "Ice in the Solar System" (PDF). Johns Hopkins APL Technical Digest. 26 (2): 175.
  2. ^ Physics of Ice, V. F. Petrenko, R. W. Whitworth, Oxford University Press, 1999, ISBN 9780198518945
  3. ^ Bernal, J. D.; Fowler, R. H. (1933). "A Theory of Water and Ionic Solution, with Particular Reference to Hydrogen and Hydroxyl Ions". The Journal of Chemical Physics. 1 (8): 515. Bibcode:1933JChPh...1..515B. doi:10.1063/1.1749327.
  4. ^ Physics of Ice, V. F. Petrenko, R. W. Whitworth, Oxford University Press, 1999, ISBN 9780198518945
  5. ^ Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  6. ^ Sreepat, Jain. Fundamentals of Physical Geology. New Delhi: Springer, India, Private, 2014. 135. Print. ISBN 978-81-322-1538-7
  7. ^ Tyson, Neil deGrasse. "Water, Water". haydenplanetarium.org.
  8. ^ Sea Ice Ecology. Acecrc.sipex.aq. Retrieved 30 October 2011.
  9. ^ Lynch, David K.; Livingston, William Charles (2001). Color and light in nature. Cambridge University Press. pp. 161–. ISBN 978-0-521-77504-5.
  10. ^ Rosenberg, Robert (December 2005). "Why is ice slippery?" (PDF). Physics Today: 50–54. Bibcode:2005PhT....58l..50R.
  11. ^ Chang, Kenneth (21 February 2006). "Explaining Ice: The Answers Are Slippery". The New York Times. Retrieved 8 April 2009.
  12. ^ Rosenberg, Robert (December 2005). "Why is ice slippery?" (PDF). Physics Today: 50–54. Bibcode:2005PhT....58l..50R.
  13. ^ Makkonen, Lasse; Tikanmäki, Maria (June 2014). "Modeling the friction of ice". Cold Regions Science and Technology. 102: 84–93.
  14. ^ "WMO SEA-ICE NOMENCLATURE" Archived 5 June 2013 at the Wayback Machine. (Multi-language Archived 14 April 2012 at the Wayback Machine.) World Meteorological Organization / Arctic and Antarctic Research Institute. Retrieved 8 April 2012.
  15. ^ Petrenko, Victor F. and Whitworth, Robert W. (1999) Physics of ice. Oxford: Oxford University Press, pp. 27–29, ISBN 0191581348
  16. ^ Eranti, E. and Lee, George C. (1986) Cold region structural engineering. New York: McGraw-Hill, p. 51, ISBN 0070370346.
  17. ^ 专有名词中英辞汇对照. 中央气象局. [2016-01-27].

延伸阅读

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