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这个夏天太热了!快看看冰冷静一下。本文将带你欣赏六种特别的冰雪现象,假装我们已经逃离了夏天……

冰花

冰花 | James R. Carter

冰花 | James R. Carter

这不是窗户上的冰花,而是一种从植物茎秆基部垂直生长出来的纤细冰晶,英文中常被称为“Ice Flower”。人们通常会在寒冷的冬日清晨发现这种现象。

根据观察和推测,它应该是这样形成的:

“冰花”一般在一些寒冷的冬夜里生长,这个时候气温很低,但土壤相对温暖,还没有冻结起来。这些植物茎杆在这个季节可能已经死掉,但它们的内部依然保留着可以吸收水分的管路。

冰的体积比水大一些,它在冻结时向外膨胀,同时植物内部的管路还能够依靠毛细现象将土壤中尚未冻结的水分输送上来,接触到寒冷的空气,继续发生冻结。于是,就逐渐从植物的茎杆上挤出了纤细的冰晶结构。垂直于茎的“生长”方式提示,这些冰花应该是从植物横向的输送管道中长成的。

延时摄影记录下的冰花生长 | FORREST M. MIMS

延时摄影记录下的冰花生长 | FORREST M. MIMS

因为非常纤细,这些“冰花”在白天升温时容易融化,所以说一般要在清晨才能见到。

冰钉

一个喂鸟盛水容器中产生的冰钉 | Dranderson8/Wikipedia

一个喂鸟盛水容器中产生的冰钉 | Dranderson8/Wikipedia

“冰钉”(Ice spike)在户外结冰的水池和冰箱冰格中都能观察到,所以这是一种夏天在家也能看到的现象。当这些容器中的水冻结时,有时会有凸出的一根细长冰柱向上生长,这就是冰钉了。

冰钉的形成可以这样理解:

在容器中,水首先从外层开始冻结,而在冻结的同时,冰的体积会膨胀,并挤压剩下的水。而在结冰的表面,可能某处正好有一个相对薄弱的小孔,那么随着冻结的冰膨胀,剩余还保持液态的水就会被从小孔处挤出来,并且在挤出的部位外侧冻结形成向上的管状。然后剩余的液态水继续被挤出冻结的过程,最终形成一条向上生长的“冰钉”。

这些结构一般是细长、尖端朝上的,发生的位置和方向都比较随机。

解释冰钉形成过程的Bally-Dorsey模型

解释冰钉形成过程的Bally-Dorsey模型

如何在冰箱里制造冰钉?2003年时曾有一篇论文讨论过冰钉形成的条件[1],他们的结论是:在大约-7℃、水纯度高的条件下,冰钉最容易出现。此外,比起静止的空气,那些通过空气循环来防止结霜的“无霜冰箱”也更容易产生冰钉现象。

泡泡冰

贝加尔湖中冻结的气泡 | Kristina Makeeva

贝加尔湖中冻结的气泡 | Kristina Makeeva

冻结的湖冰中,有时会封住一串串气泡。这些气泡里装着什么?答案是甲烷,它们主要是湖底的微生物分解有机质产生的。冬天这些甲烷泡泡被冰面挡住,最终就被封冻了起来。据说,这种现象主要出现在冻土区的热融湖(thermokarst lake)。

如果融化冰壳,泡泡中的甲烷还可以被点燃(但请不要模仿)。

冰转盘

冰转盘 | Tina Radel/City of Westbrook

冰转盘 | Tina Radel/City of Westbrook

有时候,河流中会自然形成或大或小的“冰转盘”,上面图中展示的就是其中个头很大的一个,它今年1月出现在美国缅因州的普利桑普斯科特河上,直径达到了大约100米,在河上缓缓逆时针旋转。一般认为,这些“冰盘”(Ice circle)是在涡流的作用下形成的。漩涡扯下了河面上的一块浮冰,带动浮冰旋转,同时把它的边缘“磨”圆。

雪卷

雪卷 | Perduejn/Wikipedia

雪卷 | Perduejn/Wikipedia

你看过像蛋糕卷一样的雪吗?在风的推动下,有时积雪可以自发地滚成“雪卷”(Snow Rollers)。上面图中展示的是在落基山国家公园记录到的雪卷。

风推动雪卷滚动 | Sheila Nemcsok

风推动雪卷滚动 | Sheila Nemcsok

形成雪卷需要强度恰到好处的风,还需要表层疏松、潮湿的积雪,气温最好在冰的熔点附近。这些表层积雪要恰好能够粘到滚动的雪卷上,同时又要很容易与下层的积雪分离。差不多13米/秒的风速适合推动雪卷滚动,又不至于把它们吹散,或者雪卷也可以沿着山坡在重力作用下滚动[2,3]。

雪刺林立

雪刺 | Arvaki/Wikipedia

雪刺 | Arvaki/Wikipedia

原本平整的积雪有时会变成一排排冰雪“尖刺”,这些林立的尖刺可以有1-4米高。这种现象被称为“penitentes”(西班牙语,意为忏悔者,因为看起来像是很多人在做忏悔),我们在上图中看到的是位于阿根廷中部安第斯山脉的penitentes现象,这些“尖刺”较多出现在南美的高海拔地区。

形成冰雪“尖刺”需要强烈的光照,以及干燥、寒冷的环境,其中光照起到了最关键的作用[4]。积雪一开始看起来很平整,但上面也有很多随机出现的小空洞,在这些地方,阳光可能不会直接反射离开,而是在小坑中经过多次反射。而反射次数变多,局部就会从阳光中吸收到更多的能量,这会导致小凹陷的底部冰雪更容易升华和熔化。于是凹陷就变得越来越深,最终让平整的积雪变成了一排排尖刺。

参考文献

  1. http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/icespikes/icespikes.pdf
  2. https://news.nationalgeographic.com/2018/02/snow-rollers-wind-phenomenon-ottawa-canada-spd/
  3. https://en.wikipedia.org/wiki/Snow_roller
  4. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.96.098502
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One Response to “夏天怎么还没过完?看看奇形怪状的冰冷静一下!”

  1. 匿名说道:

    创意

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