说不尽的水

陈仁政

每到冬季，冰上运动就会给人们带来无穷的乐趣。冰为何如此滑溜？为何溜冰鞋能在冰面上滑得如此流畅？为何人在冰上容易滑倒？

早在19世纪，就有科学家提出：如果给冰施加压力，冰的熔点就会降低。也就是说，只要有足够大的压强，冰就会更容易化成水。这种说法曾用于解释冰面为什么这么滑。人们想当然地认为，冰刀那么锋利，划过冰面时冰面单位面积承受的压强极大，肯定瞬间就融化了。有水了，冰面不就变滑了嘛！不过，进一步仔细推敲后，人们发现这个听起来似乎很有道理的解释值得商榷。根据科学家计算，一个体重68千克的人穿着冰刀站在冰面上时，仅能让冰的熔点降低0.0167℃。也就是说，压强虽然能降低冰的熔点，但绝对达不到融化冰面的效果。于是，科学家又提出了摩擦生热的假说。这个解释似乎更加直观：在冰面上运动的冰刀高速摩擦冰面，难道还不能生出足以融化冰面的热量吗？可是，这个假设没法解释一种常见的现象，那就是很多人一站到冰面上，动都没动就摔倒了，根本还没有摩擦生热呢！因此，科学家们认为，除了摩擦生热，一定还有更特殊的原因。人们已经想到了冰面滑是因为有水，而前两个假设就是为了解释水从何而来。于是，又有人提出了第3个假说：冰的表层本来就有水。实际上，这个现象也很容易理解。在冰柜里放置两块冰，将它们轻轻地叠在一起。过几个小时再打开冰柜，就会看到两块冰冻成一块。物理学家认为，这是由于冰块表层覆盖着薄薄的水层，当两块冰的水层接触就会冻在一起（接触面消失）。

1987年，科学家们通过X射线成像技术发现，冰面上可能存在一层非常薄的水分子层，厚度约在100纳米量级。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。但是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。其实，基本上所有固体在接近熔点时都会在表面形成很薄的液体层。现在，我们终于明白滑冰时冰面究竟发生了什么：薄薄的水分子层是你可以在冰上滑动的初始原因。随着冰刀越来越快地划过冰面，摩擦生热产生了更多的水，这让你滑得越发顺畅。

在不久之前，这一解释还只是推测。因为冰面的水层实在是太薄了，在实验中几乎无法将其与冰区分开。不过，2017年，来自荷兰的科学家通过使用两束飞秒级的激光照射冰的表面，分析其与冰面水分子相互作用后的光谱，发现在-3℃的冰面上，有着4个分子厚的水层。在-30℃时，水层就只有2个分子厚了，此时摩擦产生的热也不足以让冰融化了。也就是说，在-30℃以下的冰面上，你就不再能够自如滑行了。

为什么世界上没有

两片完全相同的雪花呢

科学家自16世纪就开始研究雪花的形状，并发现“世界上没有两片完全相同的雪花”。为什么世界上没有两片完全相同的雪花呢？

根据《吉尼斯世界纪录大全》，1986年11月1日，位于科罗拉多州的美国国家大气研究中心的科学家克奈特在一个玻璃盘上收集到了世界上第一对完全相同的雪花。但是，吉尼斯世界纪录所认证的两片完全相同的雪花，只能说在其所用的显微镜的精确度下完全相同;物理学上认为两件东西完全相同，指的是直到原子粒子都是完全相同的！这需要达到以下条件——相同的粒子，相同的分子结构，它们之间有相同的化学键，在两个完全不同的宏观系统中（比如不能把一片雪花分成两半，然后说这两片相同）。

雪花晶体一开始会按着对称模式生长，但一旦达到一定的尺寸，就会发展成不对称的六边形。在显微镜下，大型复杂的雪晶体有数百个明显的不同点。研究表明，一般的雪花大约由1019个水分子组成。雪花这些不同点的点位会形成数百万个发展方向，形成不同的结构分支。虽然很多雪花非常相似，但如果你想要找到在结构、分子或原子层面上完全相同的两片雪花，在大自然中你是无法找到的。这种“无法找到”并非在地球的时间尺度上，对整个宇宙的时间尺度来说也是一样的。如果你想知道在宇宙138亿年的历史中，你需要多少个地球才有机会出现两片完全相同的雪花，答案是大约10的100兆次方个地球。

1988年5月，克奈特在发表于《美国气象学报》上的一篇文章中写道：“人们引证得最多的论断之一，是关于雪花晶体没有两片是完全一样的。这已为人类智慧所认可，甚至这个研究领域的专家也不持什么异议。”为此，美国邮政总局于2006年10月发行了一套印有精美雪花图片的邮票。

屋檐上垂下的冰柱是怎样形成的

要形成屋檐冰柱，必须要有两种不同的温度：屋面0℃以上，使屋面的积雪化成雪水之后从屋檐滴下;屋面的屋檐口在0℃以下时，滴下的雪水结冰。事实的确如此：倾斜的南边屋面迎着阳光，使屋面的温度在0℃以上，于是积雪不断化成雪水滴下;滴下的雪水到了屋檐口，而这里的温度低于0℃（因为屋檐口比向阳屋面更接近气温只有-2℃～-1℃的地面），就会在屋檐口迅速结成冰珠而且不断继续，最终往下连成冰柱。

设想有这样的一幅图画：气温只有-2℃～-1℃的晴天，阳光普照大地;但是，斜射的阳光和地平面的夹角小，并没有把地面加热到0℃以上，让雪化为水。不过，斜射的阳光和屋面的夹角大，就能把屋面上的雪加热到0℃以上，使其化为水。出现这种差异的原因是，阳光照射物体所产生的加热该物体的热量与上述夹角的正弦成正比。例如，對于屋面的60°，sin60°≈0.866;对于地面的20°，sin20°≈0.342。可以看出，加热屋面的热量，是加热地面的0.866/0.342≈2.53倍。所以，屋面上的积雪化成雪水滴下，而地面上的积雪则“按‘雪’不动”。

（杨乐摘自《百科知识》2021年第6期）