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一隻手拿著一塊冰塊在拍照.

冰,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[編輯]

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布所構成的(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"凍融循環"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

冰的易滑性[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

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(shelf ice)。

蠟燭冰(candle ice),是和湖面垂直發展的柱狀冰,屬於蜂窩狀冰(rotten ice)的一種形式。

空中的冰[編輯]

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[編輯]

特殊的冰[編輯]

熱冰:除了前面提到高壓下形成的熱冰之外,重水(D2O)在3.8℃時結冰,成為另一種形式的「熱冰」。

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。

參見[編輯]

  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].