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为什么冰面总是滑溜溜？“泼水成冰”如何才能成功？冰的奥秘，我们一起来聊聊
来源:本站
2022-04-22 19:40:32
距2022年冬奥会仅剩下不足两月时间
这是冬奥会首次落户中国北京
随着冬奥会的不断推进
除了雪上运动越发受到国人青睐
冰上项目也成为运动追捧的目标
眼下正值大雪节气
各地的冰场内人头攒动
人们尽情享受着滑冰的乐趣
但你知道为啥冰面总是滑溜溜的吗？
寒冬时里玩“泼水成冰”
如何才能成功？
关于冰的那些奥秘
今天就让我们一起来聊聊······
冰可以有多冷？
被冰封的气象仪器（@中国气象局）
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℃。但它的熔点与压强也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。
冰面为何总是滑溜溜？
辽河冰封形成冰凌。（图：@中国气象局）
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，关于这个问题科学界有三种解释。
“压力融解说”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。
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℃，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，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。
科学家又提出了——“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。
体验“泼水成冰”需要几步？
人们在体验泼水成冰的乐趣。
在严冬里，每当剧烈降温时，很多人可能也会尝试了一把东北特有的娱乐项目——“泼水成冰”。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？
气象专家表示，“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。
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。
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。
也许在大家的印象里
冰只不过就是晶莹剔透的无色块状物而已
但你知道吗？
在大自然的世界里
冰除了有“冰冻的美丽”
还有变化万千的形态
冰川
在加拿大不列颠哥伦比亚省，一条来自Andrei冰原的冰瀑流入Hoodoo冰川
冰川是指示气候变化的最佳指标之一，因为它们在短短几天的时间尺度内就会经历可见的变化。
陆地上的大型淡水冰体，来源于积雪，最终由于自身过于沉重而被压缩成冰。冰川的范围从一个足球场（长度110米左右）到数百公里不等，在每个大陆都有分布。从本质上来说，冰川其实是较小的冰帽和冰盖。
冰山
在格陵兰东南部的Amitsoq岛附近，可以看到从格陵兰冰盖（远端）东端断裂下来的冰山
冰山是海洋中漂浮的大块冰体，它们从冰川、冰盖或冰架上断裂并落入海洋。一块浮冰如果要成为冰山，其海平面以上的高度要在4.9米以上，厚度在30到50米之间，覆盖面积至少为500平方米。
冰山不一定要像山峰一样，有时也可以呈平板状。在北极还有“冰层岛屿”，这些巨大的矩形冰体通常具有平坦的顶部，与侧面几乎垂直。
冰盖
冰盖是世界上最大的冰体形态，指的是覆盖了超过5万平方公里陆地的连续冰川。地球上只有3个冰盖，分别是格陵兰冰盖、东南极冰盖和西南极冰盖。在末次冰期，冰盖还曾经覆盖了北美洲、南美洲和欧洲北部的大片地区。
冰帽和冰原
冰帽是一种巨型的圆顶状冰体，覆盖少于5万平方公里的陆地面积（超过5万平方公里的称为冰盖）。这种冰体结构通常形成于极地，大部分较为平坦，所处海拔较高。
从威尔士亲王冰原的西部边缘流下的冰川。该冰原位于加拿大努纳武特的埃尔斯米尔岛中东部
冰原和冰帽在大小和分布上非常类似，唯一的区别是冰体流动受到周围环境影响的方式。冰原包含着从冰体表面突出、可以改变冰体流动的山脉和山脊，就像溪流中分开水流并露出水面的巨石。相比之下，冰帽通常以山丘最高点为圆顶中心，冰体从中心向边缘移动。因此，冰帽并不受限于地形，而冰原受限于地形，也不像冰帽那样具有帽形外观。
海冰
海冰是冰冻的盐水，存在于偏远的极地海洋中。海冰对极地地区的生态系统和气候至关重要，并且可能影响海洋环流和全球气候。
随着地球气候的快速变化，海冰的融化速度已经比重新冻结的速度更快。这一现象在北极尤为明显，那里的海洋和陆地温度上升速度比地球其他任何地方都快。
看到这里
你是不是对冰有了更好理解呢？
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