冰柱——科學上的一塊「堅冰」

2021-01-19 大科技


讓人又愛又恨的冰柱

在寒冷的北方,晶瑩剔透的冰柱既是一道風景,也是致命的兇器。2010年的冬天,俄羅斯聖彼得堡發生了「冰柱殺人事件」,屋頂上的冰柱突然斷裂,直刺而下,砸到毫無防備的行人,共導致5人斃命,150人受傷,一個8歲大的男孩被冰柱擊傷造成脊椎嚴重受傷。而且,冰柱帶來的不僅僅是戳穿腦殼的危險,1998年1月,嚴重的冰災曾導致加拿大魁北克省的電力基礎設施癱瘓。高壓線被冰柱的自重壓垮,許多輸電線出現了故障,成千上萬的家庭和企業連續數天無電可用。據估計,損失達20億加元(約130億元人民幣)。

一方面,建築師和電力工程師都為冰柱而頭疼,他們想盡辦法把「冷漠」的冰柱轉變成「溫柔」的水,以免傷害人員和建築設施;另一方面,好萊塢的導演們對冰柱的關注度也與日俱增,他們需要在電影中製造各種冰柱場景,比如《超人歸來》這部電影就需要製造一艘能以假亂真的更炫、更酷的水晶飛船,這就需要對冰柱的融化、凝固過程進行更為深入的了解。

可是,我們對冰柱的了解一直處於空白狀態,至今課本上也沒有關於詳細解釋冰柱形成的篇幅。雖然我們知道融化的雪水可以形成冰柱,但對「胡蘿蔔」樣冰柱的成因並不了解。可喜的是,近十年來,科學家們對冰柱的研究有了新的進展,我們對冰柱知識的了解已經有了非常大的飛躍。

形成過程很複雜

我們知道,當室外溫度在零度以下、而陽光又暖暖照著堆滿積雪的屋簷或窗臺時,這個時候就很可能形成冰柱:融化的雪水、冰水沿屋簷向下滴淌,當它們的熱量被周邊的冷空氣剝奪,它們就會累積起來「化身」為一排排閃亮的冰柱。不過,更詳細的過程是怎樣的呢?

一個冰柱開始只是一點點大,當它長到足夠大的時候,屋簷上滴下的水滴就會循著這個小冰塊的表面滴落了,並在其表面形成薄薄的一層水膜。由於冰柱表面的溫度比周圍空氣的溫度高,冷空氣帶走水膜的熱量而使其凝結——冰柱就是這樣一點點變厚的。因為熱空氣是上升的,所以冰柱上部被加熱的氣流比下部要更多一些,就好比給冰柱圍上了一條厚度不一的毛毯,上厚下薄。這樣,冰柱頂部生長慢,下部生長快,所以冰柱也就自然而然被拉得越來越長了。因此,在冰柱的形成過程中,冰柱表面與周邊空氣形成的溫度差,是塑造冰柱的主要角色。


更多的問號

現在,冰柱如何生長,如何被拉長我們知道了。但冰柱是不是都是經典的倒圓錐呢?都只有一個尖頭嗎?為什麼有的冰柱上面會生出皺紋?

之前的觀點認為,大多數冰柱的形狀基本相同,是呈錐形的。而且,從任何部位折斷冰柱,餘下的部分還是會長成錐形。然而,加拿大多倫多大學科學家史蒂芬•莫裡斯卻發現了另一番情景。

為了在實驗室中研究冰柱,莫裡斯建立了一個能旋轉的製冷裝置來生成冰柱。旋轉是為了裡面生成的冰柱會均勻受冷,這與烤箱中的烤雞為了均勻受熱而反覆旋轉的情形很像。實驗室中的冰柱大約長到了半米長,雖然有些冰柱看起來挺像錐體的經典冰柱,但其他那些卻不太像,那些冰柱在底部長出了奇怪的「冰腳」——冰柱在生長的底端分叉了。經過電腦模型的演示,莫裡斯發現,實驗室裡靜止的空氣是冰柱底端變形的重要原因。只有在屋外有一定空氣流動的情況下,才會形成具有單一尖頭的經典冰柱。

此外,許多天然的冰柱表面還有小波紋,仿佛套在上邊一圈又一圈的環。有人曾用冰凍水和空氣之間的表面張力——液體表面層由於分子引力不均衡而產生的的張力——來解釋:表面張力越大,冰柱表面上的褶皺就越不明顯。這種說法似乎挺合理。形成天然冰柱的往往是屋簷上滴淌的髒水,而摻有雜質的水表面張力係數較小,因此造成了漣漪狀的褶皺。在莫裡斯的實驗中也證實了這一點,表面張力較大的蒸餾水生成的冰柱表面上並沒有皺皺巴巴的,而用自來水生成的冰柱,儘管雜質不多,但立即出現了褶皺。看來,冰柱的褶皺確實與水的純度有關。

冰柱還有許多秘密等待我們揭開。如果未來某一天,科學家真能把這塊「堅冰」敲碎,毫無疑問,我們將能更好的預防冰柱的危害,也能製造出更完美的人工冰柱。


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