一隻手拿著一塊冰塊在拍照,中心部分的白色區域是為微小的空氣氣泡。

,也就是凍結成固態的。取決於冰內含的雜質(如土壤或氣泡顆粒),冰可以是透明的、或著帶有一點不透明的藍白色。

在太陽系中冰的含量非常豐富。從最接近太陽的水星,到離太陽極遠的歐特雲,都會生成冰。在太陽系以外的地方,英文稱“凍結成固態的水”為"interstellar ice"(星際冰)。冰在地球表面存量極大 - 尤其是在極地地區和雪線以上[1]- 而且,作為地表沉澱物和沉積物的一種常見形式,冰在地球的水循環和氣候上起著關鍵的作用。它可能以雪花、冰雹、霜、冰錐或冰柱......等形式出現。

冰分子可依溫度和壓力,表現出高達十六種不同的形態(分子堆疊形狀)。當水被迅速冷卻後,根據其經過的壓力和溫度,可生成多達三種不同型態的“冰”。當水慢慢冷卻,到達20K以下(約−253.15℃)時,量子穿隧效應可能引起宏觀的量子現象。幾乎所有在地球表面和大氣層裡的冰,都是六角形晶體結構; 相較之下,地表只會產生微量的立方體形冰。其中最常見的生成方式為:當液態水在標準大氣壓(1atm)下冷卻到低於0°C(273.15K,32°F)時,產生六角形晶體冰。冰也可通過水蒸汽直接沉積(凝華),如霜的形成就是一個很好的例子。從冰變成水的過程被稱為熔化,而從冰直接變成水蒸的過程則被稱為昇華

冰在各種地方都被廣泛地運用著,包括製冷、冬季運動、和做成冰雕等。

冰晶在顯微鏡之下呈現的樣子
冰島海岸上四噸重的浮冰

冰的特性

水結成冰(六角結晶形)的三維晶體結構(c)(2),是由許多的H-O-H分子(b),以平面六角形的格狀分佈所構成的(a)。H-O-H的角度和O-H鍵的長度,是由冰的物理性質[2]所決定的,並分別具有±1.5°和±0.005Å的不確定性。而 (c)(1)中不明顯的白色線條(需放大才可清楚看到),則是用來標明並分隔相鄰的單位晶格[3]

冰是一種天然存在,且由水分子組成的“結晶無機固體”。因此,它是以水分子“一個氧原子共價結合兩個氫原子”,或表示為 H–O–H的規律結晶所構成。然而,許多水和冰的物理性質,是由氧原子和相鄰氫原子之間所形成的氫鍵來控制。雖然氫鍵屬於弱鍵,但它仍然對水和冰的結構有至關重要的影響。

冰在大氣壓力下,擁有一個非常不尋常的特性:冰固體的密度比液體水小了大約8.3%。冰在0℃,一大氣壓時的密度為 "0.9167公克/立方公分"[4],而水在相同條件下的密度約為" 0.9998公克/立方公分"。在普通的大氣壓力下,水在4℃時,密度是最大的(約1.00公克/立方公分),並且隨著水分子漸漸結晶,總體密度逐漸變小。這是由於氫鍵的影響超過了分子間的凡得瓦力,導致水分子在固體時填充地較不緻密。冰的密度在溫度下降時會略微增加,並且在溫度達到 -180℃(93 K)時,密度變為0.9340公克/立方公分[5]

當水結冰的時候,它的體積會增加約9%。[6]水在結冰時膨脹的效果是極為巨大的,結冰膨脹是風化現象中凍融風化的基礎原因,也會造成建築物地基的損壞和道路凹凸抬起。水管因結冰的壓力而爆裂,也是房屋漏水的常見原因。

這個現象所導致的結果是,冰(在其最常見的形式)會浮在液體的水中,這也是地表生物圈的重要特徵之一。許多科學家相信,假如冰沒有這種特性的話,大部分的天然水體將會暫時、甚至在某些情況下永久從上到下完全凍結[7],導致淡水和海水動植物的大量死亡。結冰時厚度恰到好處的薄冰層,在允許光線通過的條件下,同時防止了外界環境導致短期的極端溫度變化,如寒風吹過的情況。這為細菌和藻類菌落製造了一個有充分遮擋的環境。當海水結冰時,冰層中充斥著被鹽水填滿的複雜小通道,而維持細菌、藻類、橈足類和環節動物等生物的生存; 這反過來又為其他動物:如磷蝦和特化的魚(如博氏南冰鰧)提供食物; 並因此餵養了較大的動物,如皇帝企鵝和鬚鯨等。[8]

當冰融化時,它會吸收約等於同等質量的水加熱至80℃的熱量。在熔化過程中,溫度會恆定地保持在0℃。而熔化時,外界加入的能量會被用來打破冰(水)分子之間的氫鍵。只有在足夠的氫鍵被破壞,冰的狀態已經變成可以被當作是液態水時,加入的能量才會使熱能(溫度)增加。在從冰變成水的過程中,斷裂氫鍵所消耗的能量被稱為熔解熱。

就和水一樣,冰在吸收可見光時,會因為氫氧鍵(O-H)的關係,主要吸收光譜上偏紅色的部分。與水相比,這種吸收略為向光譜能量較低的部分偏移。因此,冰看起來帶點藍色; 而且和液態水相比,帶有略為綠一點的顏色。因為吸收效應是累積的,顏色效應會隨著厚度的增加而加劇(或者如果因為內部反射,導致光需要在冰中通過較長的路徑的話)。 在光線照射下,冰也可能因為有雜質吸收光,而呈現其它的顏色。在這種情況下,產生的顏色主要由內含的雜質決定,而不是冰本身。例如,含有雜質的冰山(如:沉澱物、藻類、氣泡......)可能會出現棕色、灰色、或綠色。[9]

紐約東南部的冰瀑

冰的光滑性

最初,科學家認為冰會滑的原因是:當物體與冰接觸時,界面施加的壓力導致最表面的一層薄冰融化,並使得物體容易在冰水的交界滑動。[10]例如,當溜冰鞋的刀片在冰面上施加壓力時,會將接觸部份的冰溶化,並在冰和刀片之間提供潤滑。這種解釋,也就是所謂的“壓力熔化論”,最初起源於19世紀。然而,它並沒有考慮當溜冰時冰的溫度低於-4.0℃的情況,而這在溜冰時往往很普遍。

另一個同樣古老的解釋是:表層的冰分子,和冰內部的其他部份結合得並不是很穩固(因此便如同液態水分子般的自由移動)。這些分子處於類似半液體的狀態,在不管多大或多小的壓力下,皆可以為物體提供潤滑。然而,這種假設的正確性,在使用掃描探針顯微鏡發現冰的摩擦係數應該很高後,受到了質疑。[11]

在20世紀,科學家提出了另一個解釋 :摩擦生熱,即摩擦時所產生的熱量是冰層融化的主要原因。然而,這個理論不能充分解釋為什麼即使在零度以下的氣溫,站立在冰上時仍然容易滑倒。[12]

最近幾年,針對冰的實際摩擦狀況,出現了一個考慮所有上述摩擦機制的綜合理論。[13]這個模型對冰的摩擦情形進行數據分析,並且針對各種材料,以溫度的變化和滑動速度來做量化計算。在仔細計算常見的情況(如冬季運動和冰上的車輪)後發現,“摩擦加熱”所產生的冰層表面熔融,是造成冰容易滑動的主要原因。

冰在自然界中的存在

阿爾塔 (挪威)拍攝的羽狀冰照片,這種冰晶一般在−30 °C以下的溫度形成。

冰是全球氣候的關鍵組成部分之一,尤其在水循環的部份起著重要的作用。冰川和積雪是淡水的重要儲存機制; 隨著時間的推移,它們可以昇華或融化,並重新變成淡水加入循環。融雪也是季節性清水的重要來源。世界氣象組織由產地、規格、形狀、影響......等定義了許多種不同名稱的冰。[14]其中,天然氣水合物,是指其晶格內含有天然氣分子的冰形態。

海洋中的冰

海洋中的冰,可能以漂浮在水中的浮冰形式,或著是以固定在海岸線或海底的固著形式出現。從冰架或冰川剝落下來的大量冰塊,可能形成巨大的冰山。有時海冰會因海流和風所產生的壓力,而互相碰撞擠壓,而且形成在某些情況下甚至可以高達12公尺(超過四層樓)的高聳山脊。船隻在通過充滿海冰的區域時,一般都會選擇穿過不同冰體之間海面的較空曠處,或著必須使用一種特殊的船舶 - 破冰船

陸地上的冰

下過凍雨後,樹上凝結的冰晶

陸地上的冰體大小相差極端,覆蓋範圍從最大型的冰蓋、到更小的冰帽冰原、至冰川和流動的碎冰、山上的雪線、平地的雪地......不等。

積冰是一種具有層狀結構的冰,一般都形成於極地地區、或副極地地區的山谷之中。當河床結冰後,正常的地下水流動被阻礙,並導致當地的地下水位上升,使得水流從冰層的頂部流出。流出的水自然的被凍結,造成水位進一步上升,並重複該循環。最後產生一個分層的冰沉積物,通常厚達數公尺。

凍雨,是一種在冬天落下,一碰到物體便結冰的雨。凍雨落到物體上結凍之後,累積之下有時會產生冰錐。這種方式所產生的冰錐,外觀看起來非常類似鐘乳石; 或著當水滴落、並重新凍結後,變成石筍狀的形式。

河流裡的冰

凍結的小溪

在流動的水域中形成的冰,和形成於平靜的水域中的冰相比,往往較不穩定和不均勻。當原本流動的碎冰堆成塊後,便成為冰壩,是冰對河流威脅最大的形態。冰壩有時會引起洪水氾濫,破壞河中或河附近的建築結構,並使河上的船隻損壞。冰壩甚至可能會導致一些水電工業設施完全關閉。冰川活動所產生的冰壩也是堰塞湖的成因之一。河流中漂浮的巨型碎冰,不但會損壞船隻,還會讓破冰船難以航行。

冰圈是在河中形成的圓形冰結構。

煎餅冰(鬆餅冰),是一種一般於較不平靜的水中形成的冰。

湖泊中的冰

在平靜的水中,冰會先由岸邊開始生成,並產生薄薄的一層冰層在水域表面擴散,然後漸漸向下結凍。湖泊冰一般有四種類型:初形(Primary)、中形(secondary)、疊加形(superimposed)和結塊形(agglomerate)[15][16]初形的冰最先出現。冰的中形接下來則以平行於熱量流動的方向,於初形冰的底下形成。而當雨或水流從冰的裂縫滲入時,便可能形成疊加形的冰。

當浮冰在風吹之下堆疊在湖岸時,便成為湖架冰

蠟燭冰,是和湖面垂直發展的柱狀冰,屬於蜂窩狀冰的一種形式。

空中的冰

冰珠堆

霧凇

當小水滴在冰冷的物體上結凍時,便形成霧凇。在晚上溫度降低且產生霧氣時,便可能觀察到這個現象。軟凇的成分中,很高的比例都是被困在結晶裡的空氣,所以它看起來較為白色不透明,並且密度只有純冰的四分之一。硬凇則相較之下密度較大。

冰珠

冰珠[17]是固態降水的一種,由雪花落下時融化再凝固所形成,外形為半透明冰球,比雹還小。

冰雹

直徑超過6公分的大冰雹

雪花

鑽石塵

冰的作用

特殊的冰

热冰:除了前面提到高压下形成的热冰之外,重水(D2O)在3.8℃时结冰,成为另一种形式的“热冰”。

一般被稱為乾冰的物質實際是二氧化碳固體狀態,與水沒有關係。

参考文献

  1. Prockter, Louise M. (2005). "Ice in the Solar System" (PDF). Johns Hopkins APL Technical Digest. 26 (2): 175.
  2. Physics of Ice, V. F. Petrenko, R. W. Whitworth, Oxford University Press, 1999, ISBN 9780198518945
  3. Bernal, J. D.; Fowler, R. H. (1933). "A Theory of Water and Ionic Solution, with Particular Reference to Hydrogen and Hydroxyl Ions". The Journal of Chemical Physics. 1 (8): 515. Bibcode:1933JChPh...1..515B. doi:10.1063/1.1749327.
  4. Physics of Ice, V. F. Petrenko, R. W. Whitworth, Oxford University Press, 1999, ISBN 9780198518945
  5. Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  6. Sreepat, Jain. Fundamentals of Physical Geology. New Delhi: Springer, India, Private, 2014. 135. Print. ISBN 978-81-322-1538-7
  7. Tyson, Neil deGrasse. "Water, Water". haydenplanetarium.org.
  8. Sea Ice Ecology. Acecrc.sipex.aq. Retrieved 30 October 2011.
  9. Lynch, David K.; Livingston, William Charles (2001). Color and light in nature. Cambridge University Press. pp. 161–. ISBN 978-0-521-77504-5.
  10. Rosenberg, Robert (December 2005). "Why is ice slippery?" (PDF). Physics Today: 50–54. Bibcode:2005PhT....58l..50R.
  11. Chang, Kenneth (21 February 2006). "Explaining Ice: The Answers Are Slippery". The New York Times. Retrieved 8 April 2009.
  12. Rosenberg, Robert (December 2005). "Why is ice slippery?" (PDF). Physics Today: 50–54. Bibcode:2005PhT....58l..50R.
  13. Makkonen, Lasse; Tikanmäki, Maria (June 2014). "Modeling the friction of ice". Cold Regions Science and Technology. 102: 84–93.
  14. "WMO SEA-ICE NOMENCLATURE" Archived 5 June 2013 at the Wayback Machine. (Multi-language Archived 14 April 2012 at the Wayback Machine.) World Meteorological Organization / Arctic and Antarctic Research Institute. Retrieved 8 April 2012.
  15. Petrenko, Victor F. and Whitworth, Robert W. (1999) Physics of ice. Oxford: Oxford University Press, pp. 27–29, ISBN 0191581348
  16. Eranti, E. and Lee, George C. (1986) Cold region structural engineering. New York: McGraw-Hill, p. 51, ISBN 0070370346.
  17. 專有名詞中英辭彙對照. 中央氣象局. [2016-01-27].

参见

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