說不盡的水之三——冰雪之謎

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，就有科學家提出：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。人們想當然地認為，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，進一步仔細推敲后，人們發現這個聽起來似乎很有道理的解釋值得商榷。根據科學家計算，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，但絕對達不到融化冰面的效果。于是，科學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，這個假設沒法解釋一種常見的現象，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，科學家們認為，除了摩擦生熱，一定還有更特殊的原因。人們已經想到了冰面滑是因為有水，而前兩個假設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。物理學家認為，這是由于冰塊表層覆蓋著薄薄的水層，當兩塊冰的水層接觸就會凍在一起（接觸面消失）。

1987年，科學家們通過X射線成像技術發現，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。當水結冰時，每一個水分子都會通過氫鍵抓住其周圍的水分子，形成晶體結構。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部那般規則的結構，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。現在，我們終于明白滑冰時冰面究竟發生了什么：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，摩擦生熱產生了更多的水，這讓你滑得越發順暢。

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分開。不過，2017年，來自荷蘭的科學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，發現在-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

科學家自16世紀就開始研究雪花的形狀，并發現“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《吉尼斯世界紀錄大全》，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，吉尼斯世界紀錄所認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；物理學上認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！這需要達到以下條件—相同的粒子，相同的分子結構，它們之間有相同的化學鍵，在兩個完全不同的宏觀系統中（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，但一旦達到一定的尺寸，就會發展成不對稱的六邊形。在顯微鏡下，大型復雜的雪晶體有數百個明顯的不同點。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百萬個發展方向，形成不同的結構分支。雖然很多雪花非常相似，但如果你想要找到在結構、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，克奈特在發表于《美國氣象學報》上的一篇文章中寫道：“人們引證得最多的論斷之一，是關于雪花晶體沒有兩片是完全一樣的。這已為人類智慧所認可，甚至這個研究領域的專家也不持什么異議。”為此，美國郵政總局于2006年10月發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成冰珠而且不斷繼續，最終往下連成冰柱。

設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。出現這種差異的原因是，陽光照射物體所產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。可以看出，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”。