三九四九话寒冰

提到冬天，一个绕不开的话题就是“冰”。俗语有云，一九二九不出手，三九四九冰上走。眼下正值四九天儿（2021年1月17日至25日），黑龙江哈尔滨的冰雪大世界晶莹剔透，北京玉渊潭八一湖滑冰场内人头攒动。极寒天气里，冰到底可以有多冷？冰面为何滑溜溜？如何实现“泼水成冰”？……关于冰的奥妙，我们来聊聊。 温度：从冷若冰霜说起，冰可以有多冷？ “冷若冰霜”，意思是像冰霜一样寒冷，比喻待人接物态度冷漠，毫无热情；或比喻态度严正，不可接近。人们为什么要用冰霜来作比喻？在自然界中，冰和霜到底有多冷？冰又会冷到什么程度？ 冰和霜都是大气中的一种水汽凝结（华）现象。霜，是指贴近地面的空气受地面辐射冷却的影响而降温到霜点（指露点低于零）以下，在地面或物体上凝华而成的白色冰晶。 在科学领域中，霜由冰晶组成，和露的出现过程是相同的——都是空气中的相对湿度到达100%时，水分从空气中析出的现象。它们的差别只在于露点（水汽液化成露的温度）高于冰点，而霜点（水汽凝华成霜的温度）低于冰点，因此只有近地表的温度低于0℃时，才会结霜。无论是晶莹剔透的冰块，还是银白闪亮的寒霜，它们都是严寒天气的产物。人一旦接触它，就会觉得寒气逼人。所以，把冰霜比喻待人接物的冷淡态度是很形象的。 一般来说，冰的温度可以等于0℃，也可以低于0℃，其最低温度也可以无限接近-273℃（绝对零度）。这可以用热量守恒定律来解释。当外界温度为-50℃时，假设冰是0℃，则冰的热量一定会散发出来，朝着-50℃降低，直到等于外界温度就不再发生变化。一杯热水，放久了，热量会散发出来，直到等于室内温度。同样，从冰箱拿一瓶饮料，也会不断吸热，直到等于室内温度。所以，外界温度达到绝对零度时，冰也可以达到这个温度。 冰最低温度可以接近-273℃，那最高可以达到多少度呢？ 正常压强环境下，冰的熔点为0℃。0℃水冻结成冰时，体积会增大。据观测，封闭条件下水冻结时，体积增加所产生的压强可达2500帕。 冰的熔点与压强存在着一种奇妙的关系。在2200帕以下，冰的熔点随压力的增大而降低，大约每升高130帕降低1℃；超过2200帕后，冰的熔点随压力增加而升高。其中，3530帕冰的熔点为-17℃，6380帕冰的熔点为0℃，16500帕冰的熔点为60℃，而20670帕冰在76℃时才熔化，被称为名副其实的“热冰”。不过，这种冰是不能自然生成的，它只能靠人工制取。（李慧） 速度：冰面为何滑溜溜？ 冰上运动不失为冬季的一个绝佳选择。滑冰，往往会给人们带来很多乐趣。当你“驰骋”于冰场时，是否想过一个问题，冰面为什么是滑的？这个问题看似简单，实则困扰了科学家许多年。 关于冰面为什么是滑的，科学界有三种解释。最为人们熟知的一个理论是“压力融解说”，该学说诞生于100多年前。科学家提出，如果用冰刀给单位面积的冰施加很大压力，这种压力会使接触面的冰融化，形成薄薄的水层，水层会起到很好的润滑作用，使摩擦系数变得非常小，便可以滑冰了。 在19世纪，这种说法被认为是解释冰面为什么这么滑的“标准答案”。但后来的科学研究发现，要想让冰刀下的冰融化，需要非常高的压强。花样滑冰比赛的冰面温度至少低于-3.5℃，短道速滑、冰球等比赛的冰面温度则更低。要想让冰在-3.5℃融化，需要的压强大约是350帕，相当于在1平方米面积上堆放3500吨的重物，这需要运动员非常重的体重才能达到要求。但事实是，人们所见到的滑冰运动员大多身轻如燕，明显达不到要求。 在“压力融解说”不能合理解释冰面为什么滑之后，科学家又提出了两个导致冰面很滑的原因——“摩擦融解说”和“表面融化说”。 “摩擦融解说”认为，在冰面滑行时，冰刀与冰面之间进行快速摩擦，在这个过程中产生的热量使冰融化，融化产生的水起到了润滑剂的作用，所以冰面很滑。但这个理论也有缺陷，那就是冰面不是一般的滑，很多人一站到冰面上，动都没动就摔倒了，根本没有摩擦生热的时间。 “表面融化说”则指出，冰的表面存在一层薄薄的类似液态的水，即使在冰点以下也没有完全结成冰。科学家研究发现，当水结冰时，每一个水分子都会通过氢键抓住其周围的水分子，形成晶体结构，但表层的水分子周围缺少其他水分子，因此没有办法形成如冰块内部那般规则的结构，只能杂乱无序地游荡在表面。当物体与冰面接触时，不需要太高的压强就能让这些水不断地润滑物体与冰层的接触面，从而使冰面很滑。 截至目前，尽管大多数科学家认为“表面融化说”更加靠谱，但关于冰面为什么很滑的原因，科学界仍然是百家争鸣，没有得出统一答案。（宛霞） 程度：体验“泼水成冰”需要几步？ 人们总用“泼水成冰”来表现冬季温度之低、天气之寒冷。前一段时间，随着寒潮“冻透”大半个中国，很多人也尝试了一把东北特有的娱乐项目——“泼水成冰”。 1月7日，北京出现自1966年之后最冷的早晨，20个国家级气象站中有10个站最低气温跌破1月上旬历史同期极值，更有6个站气温跌破建站以来历史极值。 就在最冷早晨出现的前一天，不少从未体验过“泼水成冰”的人端着热水走出家门，感受这一乐趣。但不少人发现，热水泼出去后并没有直接形成冰晶，而是仍然以液体相态落下。 究竟什么条件才能真正实现“泼水成冰”，热水真的比冷水更容易结冰吗？ 黑龙江省气象台首席预报员任丽表示，“泼水成冰”其实就是水汽结冰的现象，即相态的转换。当热水被泼到空气中，周围会形成大量水汽，空气中巨大的温差使水汽迅速凝华成冰晶，这样就形成了“泼水成冰”的现象。 想要达到“泼水成冰”需要两个条件：一是气温达到-40℃以下，二是水的温度在90℃以上。 理论上讲，过冷水瞬间成冰的临界温度是-40℃。当气温高于-40℃时，还不足以实现“泼水成冰”，被泼出去的水只是外层迅速结冰，内部仍是水。但当气温没有到-40℃以下，却有大风相助，能迅速带走水汽中的热量时，“泼水成冰”也有可能实现。 “不过，有时虽然不能瞬间将水汽凝华为冰晶，但形成的水汽也有‘泼水成冰’的视觉效果。”任丽说。 观测资料显示，1月6日晚的北京气温介于-10℃到-20℃之间。由此推测，当晚大部分人体验的可能是假的“泼水成冰”。 同时，热水的确比冷水更易结冰。这是因为热水与空气的巨大温差是实现“泼水成冰”的关键。 此外，“泼水成冰”其实与水汽颗粒大小也有关系，颗粒越小接触面积越大，结冰就越快，形成的“泼水成冰”现象越美。一盆水即使温度再低，凝结成冰都需要时间，但如果是泼水造成的一滴一滴水，在温度迅速下降的情况下，就会迅速结冰。（谷星月 韩志鹏 韩冰） 广度 ：天寒地冻草木皆“冰” 到了冬天，最困扰人们的天气之一就是冰冻天气，有时可谓天寒地冻、草木皆“冰”。 我们通常将能够导致冻结的天气过程统称为冰冻天气。据中央气象台副首席预报员张峰介绍，我国冰冻天气主要包括结霜、雾凇、雨凇（冻雨）和结冰等类型，其往往伴随着低温、雨雪、寒潮等。 不同类型的冰冻，产生原因各自不同，但低气温、高相对湿度和弱风速是产生冰冻的重要条件。冰冻天气受地形地貌影响较大，山区比平原多；海拔高度增加，冰冻日数也增加，雾凇受海拔高度影响更为显著。 结霜和结冰在全国多数地区分布较广，而雾凇主要出现在长江以北，新疆北部是我国雾凇日数最多的地区。雨凇发生的区域大部分集中发生在长江以南，占了总数的90%以上，其中贵州最多，其次为湖南和江西。另外，河南东南部、河北中南部也是雨凇发生相对集中的区域。东北地区出现大范围雨凇天气的情况较为少见，2020年11月出现在吉林的雨凇是较为罕见的。 冰冻是我国冬季的主要灾害性天气，对电力、交通、农业等危害极大。雨凇能粘附在裸露物的外表形成越来越厚的坚实冰层，从而使物体负重加大，严重的雨凇会压断树枝、电线甚至压塌房屋。雾凇的密度小、重量轻，对于电线、树木的破坏性要比雨凇小得多。当电线上的雾凇严重时也会折断电线，造成停电事故。结冰严重影响交通出行，造成交通事故增多；结霜、结冰都对农业生产影响较大，会冻死冻伤越冬作物，大面积破坏幼林、冻伤果树等。 1960年以来，我国大部分地区的年冰冻日数有减少的趋势，其中在20世纪80年代末以后减少尤为显著，而大范围持续性冰冻天气过程主要出现在20世纪80年代后期之前。目前，我国大部地区年最大冰冻厚度有增加的趋势，最典型的就是2008年初出现的南方大范围雨雪冰冻灾害天气，其造成的影响至今让人记忆犹新。 “这表明在全球变暖的气候背景下，我国大部分地区的冰冻天气发生频次减少，但强度增加。”张峰认为，这是因为全球变暖后冬季气温较以前升高，因此导致发生频次降低；但同时，极端天气事件增多，冰冻天气极端性有所增强。