冰的冷与热

在一个标准大气压下，温度条件达到摄氏零度，水就要由液态变成固态而冻结成冰。然而，在特殊的环境里，水的冰点(水开始凝结成冰时的温度)可以上升或下降。这样一来，冰就不仅仅是酷寒的，还会有很高的温度，甚至可以将人烫伤。对这些特殊形式和神奇性能予以充分研究利用，可以对人类社会起到十分有益的作用。

　　

　　严寒冰冻尽显本领

　　

　　据测定，水冻结成冰之后，它的抗拉强度可以达到每平方厘米12～15千克，抗压强度每平方厘米35～45千克。所以，当冬季到来的时候，寒冷地方被冰雪覆盖，结了冰的大江小川就会成为一条条晶莹闪光的公路，车辆来往穿梭。2008年1月11日，一架从澳大利亚霍巴特起飞的空客A319客机，降落在南极蓝色的冰制跑道上。这条特制的跑道长4千米，冰层厚700米。尽管跑道冰面缺乏摩擦力，但是飞机首次试降落，仍然成功地在1000米距离内停住。由于冰层浮动，跑道会以每年12米的速度向西南方向漂移，但这种冰跑道的作用还是得到了认可。

　　不久前，韩国研究人员在瑞山航天测试中心展示了他们开发研制的能够在各种冰冻环境飞行的“冰飞机”。该中心专门设置了一个18.8万平方米的冰冻展区，人为制造出严酷的低温环境，用以测试飞机与配套设施在极端气候下的飞行能力。这种低温环境可以是南极的低空飞行环境，也可以模拟高空低温飞行环境，甚至外星球大气稀薄下的飞行环境。“冰飞机”成功地完成了各项飞行测试，受到人们的一致好评。

　　近年来，冰车等现代交通工具相继出现，不仅能够让越来越多的人一睹冰雪世界的美景，还有望在将来的外星旅游中大显身手。英国莲花汽车公司研究人员根据雪橇原理，开发出模样十分卡通的新概念冰车。两位探险家驾驶冰车，踏上通向南极的漫漫征途并通过电视台全程直播。这种新型交通工具看上去就像是穿了3只大靴子的直升机，可以忍受南极零下72℃的低温考验。在滑行装置的帮助下，时速可以达到每小时135千米，足以让南极海豹和企鹅看得目瞪口呆。冰车不仅可以在平整的冰面上行驶，在崎岖不平的雪地上也照样飞驰。它采用生物燃料作为动力，经过改装的超动力发动机排放的温室气体比普通汽油低70％左右，这种冰车可以在横跨4000多千米的南极洲雪地自由驰骋。冰车上载有雷达，可以探测到冰下危险的裂缝。车体十分轻巧，净重只有350千克，如果在雪地里熄火，驾驶员可以轻松地推着它前行，直到寻找到一个就近的维修点。

　　

　　海洋封冻冰点下降

　　

　　2010年1月，我国受冷空气影响，渤海和黄海北部海冰冰情迅速发展，为近30年来同期最为严重的一次。约40％渤海海面已经结冰。渤海湾近岸15海里、莱州湾近岸20海里、黄海北部海域近岸17海里的海水都出现了结冰，冰层最多有近一尺厚。其中，渤海莱州湾海庙后海域，完全被厚厚的冰层覆盖。这种状况的出现，对渤海沿海水产养殖、港口运输和油田钻井平台作业造成了严重危害。辽东湾的部分油田因受海冰影响而停止作业，船舶进出港口时间也明显增长。

　　海水因为含盐量高，冰点要低于淡水。再加上其他因素的影响，一般情况下不易结冰。据测定，淡水在0℃结冰，10‰盐度咸水的冰点为-0.5℃，而35‰盐度的咸水冰点是-1.9℃。地球上各大洋海水平均盐度为34.48‰，因此，海水的冰点大约在-1.9℃左右。再则，海水的最大密度并不是在4℃，而是随着盐度增加而降低。它的降低速度，比冰点随盐度增加而降低的速度快。若用坐标表示，两条下降线相交于24.7‰盐度和-1.33℃的汇合处。因为海水平均盐度是34.48‰，远远超过24.7‰，所以海水达到冰点时尚未达到最大密度，对流混合作用并不停止，从而减慢了结冰速度。此外，海洋受洋流、波浪、风暴和潮汐影响很大，这些因素一方面加强了海水混合作用，一方面也使冰晶难以形成。凡此种种，都不利于海冰的形成和发展。

　　然而，一旦冬季气温过低时，海水会排析出盐分而促使海洋混合均匀。当从表层到海底各深度的水温接近冰点时，就会由海面开始逐渐向深处伸延凝固结冰。我国渤海和黄海北部，每年冬季都有不同程度的结冰现象出现。辽河、海河、黄河和鸭绿江等出海口附近，是冬季冰情严重的海域。从世界范围讲，北冰洋是四季冰封的海洋，太平洋北部的白令海、鄂霍茨克海、日本海，大西洋北部的格陵兰海、挪威海、北海和加拿大沿海等海域，到了冬季电都会有海冰生成。

　　海洋上的冰块，受海风和海流作用而产生运动。漂浮的海冰运动时的推力和撞击力是巨大的，与冰块的大小和流速密切关联。据观测计算，一块6千米见方，高度为1.5米的大冰块，在流速一般的情况下，其推力可达4000吨，足以推倒石油平台等海上工程建筑物。1912年4月，豪华巨轮“泰坦尼克”号在大西洋北部航行。途经纽芬兰岛南部海域时，因撞上巨大的冰山而遭到灭顶之灾。这一事件成为20世纪海冰造成的最大灾难之一。1969年2～3月，我国渤海发生百年不遇的大冰封灾害，整个渤海被几十厘米至一两米甚至9米厚的坚冰封堵了50天之久。天津港务局观测平台以及海洋石油钻井平台均被海冰推倒。不冻的塘沽港和秦皇岛港也遭到了海冰破坏，损失十分惨重。空军曾在60厘米厚的堆积冰层上投放30千克炸药包，竟没能炸破冰层。由此可见，海冰的破坏力对船舶、海洋工程建筑物带来的灾害多么严重。

　　值得注意的是，海洋封冻情况在亚欧大陆东西两岸差别很大。欧洲西岸由于既受西风又受墨西哥暖流的影响，冬季海港不会结冻。亚洲东岸冬季受大陆季风控制，加上南下的鄂霍次克海寒流和日本海寒流的影响，沿海封冻较强。我国渤海之滨的塘沽港，所处纬度和葡萄牙首都里斯本相近，但冬天的情况大不相同。塘洁港时常会出现封冻，有时需要靠破冰船来疏通航道，才能便利海轮进出，而里斯本则从来没有这种情况发生。

　　

　　罕见“热冰”令人叹服

　　

　　在人们的印象中，水结冰总是同寒冷联系在一起。然而，在特殊的条件下。水也能够生成温度很高的“热冰”。

　　水的结冰过程和它受到的大气压力有着直接的关系，压力越高，冰点温度越高。因此，在超高压条件下，所结的冰并不寒冷，温度反而会很高。经测定，在2万个大气压下，80℃左右的热水就可以结冰；如果气压达到3.9个大气压，冰的温度可高达180℃以上。这时，我们如果能够触及到冰，不仅不会感到寒冷，反而要被烫伤。

　　目前，对热冰的研究已经取得了可喜的成果。早在十几年前，科学家就预言可以利用强电场的作用把室温下的水变成冰。这是因为水的结构比较松散，而冰中的水分子之间的氢键比较强，强电场可以加强水分子之间的氢键。前不久，韩国科学家完成了在室温条件下的结冰实验，把室温(25℃)下的水变成了冰。这种实验在世界上尚属首例，而且他们利用的电场的强度比以前预言的电场强度小了1000倍。在实验中，研究人员在一个金属盘里和一根金属尖器之间保留了一层水，在电场的作用下，金属尖器沿着金属盘向下移动。随着尖端不断下降，电极距离越来越近，两者之间的电场就会不断增强。当达到2个水分子距离的时候，水转化为固体形态，盘中的水在室温条件下结成了冰。

　　利用强电场能够促进水结冰的原理，科学家可以进一步解释出一些自然现象的成因。比如，夏天高空在太阳的照射下，气温一般不会达到0℃以下，然而，不少地方会下冰雹。这是因为在高空雷电的强电场作用下，在水汽加快凝结变成雨水的过程中，一部分雨水在强电场的作用下迅速凝固而变成了固态冰雹。另有地质工作者在一些地下岩石中探测到冰块，而这些岩层的温度在冰点之上。现在得知，这些岩层在断裂的过程中相互摩擦，产生强大的静电场，让裂缝中的水结成了冰。

　　科学家相信，如果能够简化室温下的结冰设备，还可以有更多的实用价值。夏天可以用电场产生室温冰，制造人工溜冰场和冰雕，这样我们就可以在室温下溜真冰或者观赏冰雕而不需要大量的冷气机，游玩者也不需要穿上厚厚的冬衣了。此外，室温冰在生物学、工业、旅游业和军事等领域也有重要的用途。(文章代码：100507)

　　【责任编辑】庞云