冰雪杂谈
2024-07-05燕赵河山
燕赵河山
我这辈子算是和雪结下了不解之缘。喜也罢,怨也罢,总是与雪有关。
小时候家境不济,父亲被下放,食不果腹、衣不遮寒。可那时的燕赵大地上,冬日偏偏大雪不断,在个人的强化记忆中,每日都不得不踏着雪去上学,脚趾和手指年年被冻伤,通红通红的,整个冬天痒痛不止。由于是听话的好学生,每年都被老师安排为教室维护火炉,每日必起四五更,孤单单一个人,在肃寂、寒冷、铺满厚厚积雪的大街上走着去学校。但这样的经历也产生些许微妙的感觉,虽然是凌晨,却并不觉得周围漆黑一片,所有景物均朦胧可见,雪未被踩过,依然保留着原始状态,朦胧之中不免觉得万物皆美。可惜这样的美好感觉是短暂的,天刚亮,村部的大喇叭就开始响了,心情顷刻掉底,头会不自觉地低下去。知道父母他们又得被唤去做义务劳动,清扫大街上的积雪了。羞辱感自不必说,我的父母那时都是五十来岁的人了,一扫就是一整天,连春节都不会被放过,可以想象他们生活的痛苦与艰难。在我小小的心灵里,雪成了我所痛恨的东西之一。
不承想,后来雪成了我的工作饭碗的一部分。当年报考大学时,第一、二志愿填的是物理和数学,但也选了“服从安排”一项,结果被地质地理系录取。不过,一路上一直在想,既然系别已定,无更改可能,那么最希望自己被分配到水文专业而不是其他专业。至于为什么期盼水文专业,是与个人从小生活的环境有关,燕赵之地相对干旱少雨,水在自己心目中至关重要。同时,在上高中期间,或多或少已经意识到水对人类未来的重要意义。在这一点上上天倒是眷顾了我,报到时发现,果不其然自己就是水文地质专业。上大学时所在城市污染严重,特别是冬日,傍晚出去转一圈儿,回来鼻孔必被染黑,手指一摸,如墨般。偶尔下场雪,一般不太大,远观树上的雪挂,倒也显得美丽壮观,可是一旦靠近,却发现雪有些黑不拉几的,明显被黑灰粉尘污染,美感顿失。虽然学的是水文,但是那时,还没有想到雪会和我的职业有什么关系。
我的大学所在城市有一国际著名研究所,是研究冰寒世界的。一毕业,我便被该所录取为硕士研究生,从事旱区水文研究,研究对象是新疆低海拔地区的河流与湖泊。见其他研究生同学研究冰川,上高山、住帐篷,几周下来,人人都有红二团。他们来访我们驻地,见我们每日傍晚伴着夕阳湖边踱步,床底下堆满了西瓜,十分羡慕我们天堂般的野外生活,我也颇感幸运。后来随着个人研究不断深入,深刻意识到,我所研究的水不正是从高山和冰川上来的吗?要深化我的研究,我必须依山而上,非得研究冰川和积雪不可。果不其然,一毕业我的研究项目立马包含了冰川和积雪,而且从此一上此船,就再也没有下得来,甚至年轻的生命差一点儿被雪夺去。
故事发生在1993 年的夏天,某著名的冰川上。早晨,我随一队人员(多为年轻的临时工)一同上冰川,他们做冰川蠕动观测,而我一个人做另外一个项目,采集河水、冰川和积雪样品。他们的观测点在冰川上部,而我的采样点很分散,我则边走边采,所以很快就被他们甩在后面。等我攀到冰川中部的时候已近中午,雪愈来愈厚,走起来很不容易,虽是晴天,但气温依然远在冰点之下。好在测冰的朋友们已经踏出很多雪坑,我便循着他们的足迹,一手把着钢制雪尺,一步一步小心翼翼地前行。赫然间,感觉有阵儿暖风从冰川上方吹来,怪怪的,怎么这么寒冷的地方还会有暖风呢?还没有缓过神来,突然又感觉离世一年的母亲似乎就在我的旁边,越发纳闷儿起来。尚未多想,紧接着一声巨响,脚下的雪块脆断,立马意识到:“不好!遇到冰裂隙了!”而我是如何应对的,手中的钢尺是否起了作用,一概不知,当时有昏去的感觉。清醒以后的我,发现身体上半部分腹卧在了雪面上,双脚却腾空。猛地向后望去,一个巨大的冰裂隙就在我的脚下,有一米多宽、十几米长,深不见底。当时,惊得一身冷汗,便不敢前行,决定取消冰川上的后续工作。一米多宽的裂隙是无法直接跳越过去的,我不得不全身趴在雪上,增加表面积,像游泳一样,手爬脚蹬,顺着裂隙的走向爬,爬行一段距离后再绕过去。因为不知道裂隙到底有多长,虽然谨慎,却依然胆战心惊。折腾了约莫一个钟头的时间,终于绕了过去,才长长地舒了一口气。向身后的裂隙望去,好是后怕啊!临近太阳落山,测冰的人们返回时,见一巨大冰裂隙,且雪上有挣扎过的痕迹,他们以为我掉进了冰窟窿,便大声喊叫多时,见未有反应,便急急地赶回了营地,见我完好无损,大家才松了口气。这些好奇的年轻人,闲来无事时,用一根长绳将一位瘦小的小伙子送到了冰窟窿里探险。据这位进去的小伙子讲,冰窟深有百来米,底部完全是另外一个世界,视线模糊,但并非漆黑一片,冰洞很大,但并不寂静,潺潺的流水声不断,原来冰下有河流。他说,底部不可怕,可怕的是冰壁,曲曲折折,或窄或宽,冰楔就像长出的树杈到处都是,每个冰楔如刀,一不小心是会要命的。在冰面上走,冰裂隙是致命危险之一。冰裂隙的形成与冰川的蠕动有关,不均匀的张力拉扯造成冰裂痕,加上天长日久的消融,缝隙不断变宽、变长,但上面始终被常年积雪覆盖,不易发现,犹如森林中俘捉大动物的陷阱。这让我想起上世纪80 年代末,当时我们在乌鲁木齐和达坂城之间的某地做湖泊研究,一队日本人到博格达峰探险,其中一人掉进冰窟窿,队员花了好几天时间也未能把他拯救出来,冰窟太深、冰壁上冰楔太多,最后不得不放弃。他的女友若干年后又来攀峰,祭吊死去的前男友。
雪、冰、水以及水汽本质上差别不大,均是氢二氧一,只是形态不同。在气温0.01℃和0.06 个大气压条件下,蒸汽、液态水和冰(雪)同时存在,它们的形态是无法区分的。常温常压下,雪和冰更像是亲兄弟,只是一个臃肿些,另一个健瘦些,一般情况下,冰的比重是水的十分之九,而雪的比重是水的十分之一到十分之四。然而,水与冰的结构还是有些差别,水分子中两个氢原子相隔104.5°,而冰结构中它们的角度却是109.5°。就是这点儿差别造成了液态水的自由散漫与固态冰的坚韧结构。雪在大气形成的过程要比雨滴复杂得多,是在超饱和和超低温状态下形成的。水蒸气凝结到大气粉尘颗粒上,形成冰晶,而冰晶的生长是很有趣的,它不像水滴主要靠机械碰撞来成长,而雪颗粒是不断吸收凝结冰晶,新的冰晶在附在旧的上面时,不是随机的,而是按照氢链有规则地排列,形成六棱体,冰晶临近的水蒸气也是沿着冰体凹处向突兀处输送,使冰晶不断生长,最后呈六肢星状体。六肢星状体是最常见的雪片形状,却不是唯一的,在极其特殊的气温和大气压力组合条件下,可以形成柱状体、帽子状、盘子状等等几十种类型,不过,这些类型或许我们终生不得见。不管何种形状,雪片在降落过程中,原始形状都会受损,到达地面大都缺胳膊断腿。即便六肢星状保存完好,雪片堆在一起,愈堆愈多,在重力和温度差的双重影响下,逐渐变质,最终变成浑圆状。莫小看这一变质过程,可恰是我学术生涯最初研究的重点,有两个极其有趣的现象与此有关,一是化学离子的分馏过程,即雪在变质过程中会重新安排离子的分布,使其集中在雪粒的边缘,一旦融雪水产生并流出积雪,它们会在短时间内集中排泄到径流中,形成“离子脉冲”现象。二是水的同位素的分馏,即轻水水分子会优先于重水水分子排出到径流中。这两项成果奠定了我在美国从事水文研究的坚实基础。在高山上,一般4000 米以上的地区,雪终年不融化,常年变质终于使雪完全变成冰,这便是冰川。雪的变质也是造成雪崩的主要原因。雪本来是有一定弹性和韧性的,尽管比较弱,一旦变质,其强度就会大大降低。当积雪中温度梯度达到每米正10℃时(由雪面至地面算起),雪粒就会变质为霰石一样的颗粒,松散不相连,形成极其脆弱的润滑层。在一定坡度条件下,一个滑雪者或大动物的力量就可以摧毁大片积雪的稳定性。
获得博士学位后,我的研究项目重点是季节积雪地区的水文和生物地球化学过程,从落基山到西海岸的西野拉,再到五大湖地区,始终与雪打交道。博士论文中,最重要的一项发现是,大部分的融雪水离开积雪后,并不会马上进入河流,而是转入地下,首先成为地下水,储存一定时间后,才进入河流系统,即所谓的地下水主导河流流量论。此研究所依靠的技术正是氢氧的同位素以及地球化学。这一发现不仅对河流水的来源产生了颠覆性认识,更重要的是打破了高山积雪地区河水的“不粘锅”的传统理论,即积雪中的污染物和细菌大多不会直接进入河流,而是会得到土壤和岩石一定程度的净化。当时得出这一论断,并没有其他人的研究成果来佐证,自己颇疑惑是否能经得起时间的考验,论文发表的第二年被美国地质调查局邀请作报告时,其实心里是忐忑不安的。今年正好是论文发表20 周年,回头看,已经有很多人反反复复地印证了我的发现,不管是积雪径流还是降雨径流,不管是大河还是小河,除了洪水峰期,均以地下水占主导成分。我的学涯从学习水文地质开始,绕了一圈儿,最后又回到了地下水的研究。而为什么地下水如此重要,为什么地下水会在雨后和雪融后才大量进入河流,依然是个谜,尚未有人能解释其机理。廉颇老矣,吾恐无力再跨前一步,只能期盼下一代水文学家来回答此问题了。
每年春天,我都要给本科生讲授物理水文课程。每每讲到积雪和融雪过程一章时,未开篇,我先给他们讲三个故事,让他们讨论可能的原因和答案。故事一,1969年的春夏之交,挪威一湖泊里的鱼大部分死去,而那一年并没有什么特别的,只是冬季降雪偏多。是什么因素害死了鱼?故事二,“文革”期间,中国西部某省革委会主任要求科学家想方设法增加河流流量,以便有足够的水来灌溉农田。科学家违其良心,终于找到了增加河流流量的快速办法,极其经济但应不为的办法。猜猜这个办法是什么?故事三,如果降雪减少、融雪时间提前,美国哪些州最为惧怕这些变化?我只是抖了三个包袱,让他们注意听讲,在我讲解的过程中寻找答案。故事一与离子脉冲有关,60 年代的挪威大气污染严重,雪中的酸物质短时间内被集中排放到湖中,酸化了湖水,杀死了鱼,而并不是人们一下子就能想到的水温可能降低。故事二则与雪的反射率有关,在冰雪表面上涂上黑炭,将大大地降低阳光反射,使冰雪吸收大量太阳能,加速融化。雪刚刚降到地表时,它的反射率是很高的,可达90%。讲到新雪的反射率时,我常会给学生们开玩笑,告诉他们如果下雪后在雪面上走,又是阳光天气,你会同时受到两个太阳的照射,一个来自天上,另一个则来自你的脚下。说是玩笑,其实是非常接近事实的。第三个故事的答案是显然的,那就是加利福尼亚及至整个美国西部地区会首当其冲。其实,中国西部又何尝不是如此呢?
有雪的地方,人们的抱怨多。下雪时,太冷,交通不便,摔伤骤增,车祸大大增加,航班延误,生活成本也提高。我现在居住的这个地方,是个如火炬形的半岛,最厚积雪记录是10 米,发生在1979 年的冬天,恐怕不是世界上最高的纪录,但一定名列前茅。之所以雪多,是大湖效应造成的。2017 年未搬来之前,我们来考察房屋购买情况,在一处公寓发现一家门上贴着年画,知其是华裔,便敲门扰询,问他们为什么不买房而是住在公寓?女主人好大情绪,满脸不高兴地说,我们是南京人,在这破地方工作,雪这么多,本来买了房子,后来我们卖掉了,我们不会在这儿常待。
不过,随着气候变暖的持续,将来这样的冬天气温只会增加,是喜是忧?恐怕不同的人有不同的感受,但对滑雪爱好者和生态环境保护者来讲,肯定不是好消息。