当前位置: 首页 > 新闻资讯 > 气象科普

三九四九话寒冰

作者:张明禄 来源:中国气象报社 时间:2021-02-07
提到冬天,一个绕不开的话题就是“冰”。俗语有云,一九二九不出手,三九四九冰上走。眼下正值四九天儿(2021年1月17日至25日),黑龙江哈尔滨的冰雪大世界晶莹剔透,北京玉渊潭八一湖滑冰场内人头攒动。极寒天气里,冰到底可以有多冷?冰面为何滑溜溜?如何实现“泼水成冰”?……关于冰的奥妙,我们来聊聊。

温度:从冷若冰霜说起,冰可以有多冷?

“冷若冰霜”,意思是像冰霜一样寒冷,比喻待人接物态度冷漠,毫无热情;或比喻态度严正,不可接近。人们为什么要用冰霜来作比喻?在自然界中,冰和霜到底有多冷?冰又会冷到什么程度?

冰和霜都是大气中的一种水汽凝结(华)现象。霜,是指贴近地面的空气受地面辐射冷却的影响而降温到霜点(指露点低于零)以下,在地面或物体上凝华而成的白色冰晶。

在科学领域中,霜由冰晶组成,和露的出现过程是相同的——都是空气中的相对湿度到达100%时,水分从空气中析出的现象。它们的差别只在于露点(水汽液化成露的温度)高于冰点,而霜点(水汽凝华成霜的温度)低于冰点,因此只有近地表的温度低于0℃时,才会结霜。无论是晶莹剔透的冰块,还是银白闪亮的寒霜,它们都是严寒天气的产物。人一旦接触它,就会觉得寒气逼人。所以,把冰霜比喻待人接物的冷淡态度是很形象的。

一般来说,冰的温度可以等于0℃,也可以低于0℃,其最低温度也可以无限接近-273℃(绝对零度)。这可以用热量守恒定律来解释。当外界温度为-50℃时,假设冰是0℃,则冰的热量一定会散发出来,朝着-50℃降低,直到等于外界温度就不再发生变化。一杯热水,放久了,热量会散发出来,直到等于室内温度。同样,从冰箱拿一瓶饮料,也会不断吸热,直到等于室内温度。所以,外界温度达到绝对零度时,冰也可以达到这个温度。

冰最低温度可以接近-273℃,那最高可以达到多少度呢?

正常压强环境下,冰的熔点为0℃。0℃水冻结成冰时,体积会增大。据观测,封闭条件下水冻结时,体积增加所产生的压强可达2500帕。

冰的熔点与压强存在着一种奇妙的关系。在2200帕以下,冰的熔点随压力的增大而降低,大约每升高130帕降低1℃;超过2200帕后,冰的熔点随压力增加而升高。其中,3530帕冰的熔点为-17℃,6380帕冰的熔点为0℃,16500帕冰的熔点为60℃,而20670帕冰在76℃时才熔化,被称为名副其实的“热冰”。不过,这种冰是不能自然生成的,它只能靠人工制取。(李慧)

速度:冰面为何滑溜溜?

冰上运动不失为冬季的一个绝佳选择。滑冰,往往会给人们带来很多乐趣。当你“驰骋”于冰场时,是否想过一个问题,冰面为什么是滑的?这个问题看似简单,实则困扰了科学家许多年。

关于冰面为什么是滑的,科学界有三种解释。最为人们熟知的一个理论是“压力融解说”,该学说诞生于100多年前。科学家提出,如果用冰刀给单位面积的冰施加很大压力,这种压力会使接触面的冰融化,形成薄薄的水层,水层会起到很好的润滑作用,使摩擦系数变得非常小,便可以滑冰了。

在19世纪,这种说法被认为是解释冰面为什么这么滑的“标准答案”。但后来的科学研究发现,要想让冰刀下的冰融化,需要非常高的压强。花样滑冰比赛的冰面温度至少低于-3.5℃,短道速滑、冰球等比赛的冰面温度则更低。要想让冰在-3.5℃融化,需要的压强大约是350帕,相当于在1平方米面积上堆放3500吨的重物,这需要运动员非常重的体重才能达到要求。但事实是,人们所见到的滑冰运动员大多身轻如燕,明显达不到要求。

在“压力融解说”不能合理解释冰面为什么滑之后,科学家又提出了两个导致冰面很滑的原因——“摩擦融解说”和“表面融化说”。

“摩擦融解说”认为,在冰面滑行时,冰刀与冰面之间进行快速摩擦,在这个过程中产生的热量使冰融化,融化产生的水起到了润滑剂的作用,所以冰面很滑。但这个理论也有缺陷,那就是冰面不是一般的滑,很多人一站到冰面上,动都没动就摔倒了,根本没有摩擦生热的时间。

“表面融化说”则指出,冰的表面存在一层薄薄的类似液态的水,即使在冰点以下也没有完全结成冰。科学家研究发现,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。当物体与冰面接触时,不需要太高的压强就能让这些水不断地润滑物体与冰层的接触面,从而使冰面很滑。

截至目前,尽管大多数科学家认为“表面融化说”更加靠谱,但关于冰面为什么很滑的原因,科学界仍然是百家争鸣,没有得出统一答案。(宛霞)

程度:体验“泼水成冰”需要几步?

人们总用“泼水成冰”来表现冬季温度之低、天气之寒冷。前一段时间,随着寒潮“冻透”大半个中国,很多人也尝试了一把东北特有的娱乐项目——“泼水成冰”。

1月7日,北京出现自1966年之后最冷的早晨,20个国家级气象站中有10个站最低气温跌破1月上旬历史同期极值,更有6个站气温跌破建站以来历史极值。

就在最冷早晨出现的前一天,不少从未体验过“泼水成冰”的人端着热水走出家门,感受这一乐趣。但不少人发现,热水泼出去后并没有直接形成冰晶,而是仍然以液体相态落下。

究竟什么条件才能真正实现“泼水成冰”,热水真的比冷水更容易结冰吗?

黑龙江省气象台首席预报员任丽表示,“泼水成冰”其实就是水汽结冰的现象,即相态的转换。当热水被泼到空气中,周围会形成大量水汽,空气中巨大的温差使水汽迅速凝华成冰晶,这样就形成了“泼水成冰”的现象。

想要达到“泼水成冰”需要两个条件:一是气温达到-40℃以下,二是水的温度在90℃以上。

理论上讲,过冷水瞬间成冰的临界温度是-40℃。当气温高于-40℃时,还不足以实现“泼水成冰”,被泼出去的水只是外层迅速结冰,内部仍是水。但当气温没有到-40℃以下,却有大风相助,能迅速带走水汽中的热量时,“泼水成冰”也有可能实现。

“不过,有时虽然不能瞬间将水汽凝华为冰晶,但形成的水汽也有‘泼水成冰’的视觉效果。”任丽说。

观测资料显示,1月6日晚的北京气温介于-10℃到-20℃之间。由此推测,当晚大部分人体验的可能是假的“泼水成冰”。

同时,热水的确比冷水更易结冰。这是因为热水与空气的巨大温差是实现“泼水成冰”的关键。

此外,“泼水成冰”其实与水汽颗粒大小也有关系,颗粒越小接触面积越大,结冰就越快,形成的“泼水成冰”现象越美。一盆水即使温度再低,凝结成冰都需要时间,但如果是泼水造成的一滴一滴水,在温度迅速下降的情况下,就会迅速结冰。(谷星月 韩志鹏 韩冰)

广度 :天寒地冻草木皆“冰”

到了冬天,最困扰人们的天气之一就是冰冻天气,有时可谓天寒地冻、草木皆“冰”。

我们通常将能够导致冻结的天气过程统称为冰冻天气。据中央气象台副首席预报员张峰介绍,我国冰冻天气主要包括结霜、雾凇、雨凇(冻雨)和结冰等类型,其往往伴随着低温、雨雪、寒潮等。

不同类型的冰冻,产生原因各自不同,但低气温、高相对湿度和弱风速是产生冰冻的重要条件。冰冻天气受地形地貌影响较大,山区比平原多;海拔高度增加,冰冻日数也增加,雾凇受海拔高度影响更为显著。

结霜和结冰在全国多数地区分布较广,而雾凇主要出现在长江以北,新疆北部是我国雾凇日数最多的地区。雨凇发生的区域大部分集中发生在长江以南,占了总数的90%以上,其中贵州最多,其次为湖南和江西。另外,河南东南部、河北中南部也是雨凇发生相对集中的区域。东北地区出现大范围雨凇天气的情况较为少见,2020年11月出现在吉林的雨凇是较为罕见的。

冰冻是我国冬季的主要灾害性天气,对电力、交通、农业等危害极大。雨凇能粘附在裸露物的外表形成越来越厚的坚实冰层,从而使物体负重加大,严重的雨凇会压断树枝、电线甚至压塌房屋。雾凇的密度小、重量轻,对于电线、树木的破坏性要比雨凇小得多。当电线上的雾凇严重时也会折断电线,造成停电事故。结冰严重影响交通出行,造成交通事故增多;结霜、结冰都对农业生产影响较大,会冻死冻伤越冬作物,大面积破坏幼林、冻伤果树等。

1960年以来,我国大部分地区的年冰冻日数有减少的趋势,其中在20世纪80年代末以后减少尤为显著,而大范围持续性冰冻天气过程主要出现在20世纪80年代后期之前。目前,我国大部地区年最大冰冻厚度有增加的趋势,最典型的就是2008年初出现的南方大范围雨雪冰冻灾害天气,其造成的影响至今让人记忆犹新。

“这表明在全球变暖的气候背景下,我国大部分地区的冰冻天气发生频次减少,但强度增加。”张峰认为,这是因为全球变暖后冬季气温较以前升高,因此导致发生频次降低;但同时,极端天气事件增多,冰冻天气极端性有所增强。