在大家的印象中,冰是水在處於冰點的溫度之下所形成的固體形態,地球上的冰雖然形態各異,但從本質上看都大同小異,為何會有7號冰的說法呢?而且在有的文章或者報導中還可以看到,7號冰還具有非常強的「魔性」,可以讓地球在短時間內毀滅,這是真的嗎?
我們先來看一下什麼是7號冰
無論是幾號冰,它都屬於水的固體相態形式。在微觀層面,冰之所以能夠形成固態,主要是除了與液態、氣態水分子身身氧與氫原子通過化學鍵相連接之外,每個水分子與其他水分子之間仍然會通過氫鍵的方式進行結合,而這種氫鍵的結合力在固態相位表現得最強。通過微觀層面的觀測分析,1個水分子與周圍的4個水分子之間可以通過這種氫鍵的方式進行結合,結合力越小,則水分子的活躍程度就會越高,水的形態就會趨向於流動性,對外表現出液態或者氣態。
科學家們通過大量的實驗研究,繪製了水的相位圖。在水的相位圖中,依據水的固態、液態和氣態三種存在形式所在的溫度和壓強的對應關係,劃分為三個主要的區域,不同區域的相接線即是水在不同相位變化的溫度和壓強臨界值組成的曲線。通過這個曲線,大家可以看到一個奇怪的地方,那就是對於固態的水來說,其中還劃分為了若干小塊的區域,每個區域都代表著具有一定特徵差異的固態水,其中7號冰所對應圖中的標識是VII。
那麼,這也就向我們說明了一個問題,即在實驗室環境中,我們可以通過改變實驗環境的溫度和壓力組合,使水分子之間的結合排列形式發生不同程度的改變,從而達到以多種晶體形式凝結為固態的冰種。如果在室溫條件下,將壓力提高到3GPa(3萬個標準大氣壓)時,就會產生所謂的7號冰。
7號冰的特性
從冰的形成過程來看,主要有兩種成核模式,一種是在已經結晶的冰晶表面吸附水分子、或者在固體雜質表面吸附水分子,然後在水分子在吸附表面因溫度和壓力的組合條件而適時形成晶核,這種是我們日常生活中常見的一種結冰形式,這種結冰形式是各向異性的,因此也叫不均相成核方式。另外一種,是通過熱漲落的方式而形成晶核,比如巨大的衝擊波擊中液態的水,在水未恢復原有狀態之前會有可能發生瞬態成核現象而結冰。7號冰的形成則兼具以上兩種方式,主要依靠的還是溫度和壓力的組合條件,科學家們已經在實驗中模擬出了7號冰的形成所需要具備的基本條件。
由於7號冰在結晶狀態下,結晶核與液態水分子之間不存在基本不存在中間的熱層,只受到水分子在結晶初始狀態的排序影響,因此理論上其結晶的擴散速度是非常快的,可以在很短的時間內與周圍上百個水分子發生很強的結合力,有報導稱1個小時的冰晶擴散速度可以達到1600公裡,這也是7號冰最大的特性了。
只不過這個特性只在實驗室環境中,在創造的特定溫度和壓力條件下所表現出來的,在自然環境中不可能再現。即使拿海洋中最深處來說,其壓力應該是地球常態下的最高壓力了,但也不過1億Pa左右,這與3GPa(30億Pa)相距甚遠,地球無論是陸地還是海洋,在自然狀態下是形成不了7號冰的。
自然界中的7號冰
雖然自然環境中不可能再現這種7號冰的形成過程,也不具備7號冰穩定形成的溫度-壓強條件,但是在地球的內部情況就不一樣了,大家都知道,隨著向地球內部挺進,其壓強也會越來越大,在上地幔的下部其壓力就能夠達到上萬個標準大氣壓,壓強條件達到了7號冰的形成條件,但這裡的溫度太高,達到上千攝氏度,溫度條件滿足不了,但是別忘了這種環境下的礦石結晶水的存在,其中鑽石這種特殊的礦物,給了7號冰形成創造了必要的條件。
在地幔一定深度,在高溫高溫環境下,碳原子會發生瞬間結晶狀況,而在這個區域內仍然會存在著一定量的高溫水分子,在碳原子結晶的過程中,會將水分子封印在結晶體裡,而且在鑽石礦藏隨著地幔對流逐漸上升到地殼時,雖然外界的壓強大幅降低,但鑽石的內部壓強環境一直保持著原樣,因此,被封印的水分子在鑽石內部,隨著鑽石來到地殼表層,溫度和壓強都具備了7號冰的形成條件,因此這些鑽石的內部就或許存在著7號冰的蹤影。這不,有科研團隊就在近年,於地面以下500公裡左右的地幔區域內,找到了這麼一顆鑽石,通過用X射線掃描時發現了裡面具有7號冰所專有的晶體排列結構。
我們應該看到,在自然界中所發現的7號冰,其是藉助於鑽石的特有保護特性,才使其內部擁有了超高的壓力所致,一旦我們把鑽石破壞了,那麼這些7號冰的結構,也會因壓力的迅速減少而發生相態轉化。所以,我們無法將7號冰直接放到水中,然後測試其對其它水分子結晶的擴散速度,當然,也不可能有短時間讓地球冰封住的可能性了。