冰柱——科学上的一块“坚冰”

2024-03-19 17:09 来源: 高考学习网 本文影响了:2386人

让人又爱又恨的冰柱

在寒冷的北方,晶莹剔透的冰柱既是一道风景,也是致命的凶器。2010年的冬天,俄罗斯圣彼得堡发生了“冰柱杀人事件”,屋顶上的冰柱突然断裂,直刺而下,砸到毫无防备的行人,共导致5人毙命,150人受伤,一个8岁大的男孩被冰柱击伤造成脊椎严重受伤。而且,冰柱带来的不仅仅是戳穿脑壳的危险,1998年1月,严重的冰灾曾导致加拿大魁北克省的电力基础设施瘫痪。高压线被冰柱的自重压垮,许多输电线出现了故障,成千上万的家庭和企业连续数天无电可用。据估计,损失达20亿加元(约130亿元人民币)。

一方面,建筑师和电力工程师都为冰柱而头疼,他们想尽办法把“冷漠”的冰柱转变成“温柔”的水,以免伤害人员和建筑设施;另一方面,好莱坞的导演们对冰柱的关注度也与日俱增,他们需要在电影中制造各种冰柱场景,比如《超人归来》这部电影就需要制造一艘能以假乱真的更炫、更酷的水晶飞船,这就需要对冰柱的融化、凝固过程进行更为深入的了解。

可是,我们对冰柱的了解一直处于空白状态,至今课本上也没有关于详细解释冰柱形成的篇幅。虽然我们知道融化的雪水可以形成冰柱,但对“胡萝卜”样冰柱的成因并不了解。可喜的是,近十年来,科学家们对冰柱的研究有了新的进展,我们对冰柱知识的了解已经有了非常大的飞跃。

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形成过程很复杂

我们知道,当室外温度在零度以下、而阳光又暖暖照着堆满积雪的屋檐或窗台时,这个时候就很可能形成冰柱:融化的雪水、冰水沿屋檐向下滴淌,当它们的热量被周边的冷空气剥夺,它们就会累积起来“化身”为一排排闪亮的冰柱。不过,更详细的过程是怎样的呢?

一个冰柱开始只是一点点大,当它长到足够大的时候,屋檐上滴下的水滴就会循着这个小冰块的表面滴落了,并在其表面形成薄薄的一层水膜。由于冰柱表面的温度比周围空气的温度高,冷空气带走水膜的热量而使其凝结——冰柱就是这样一点点变厚的。因为热空气是上升的,所以冰柱上部被加热的气流比下部要更多一些,就好比给冰柱围上了一条厚度不一的毛毯,上厚下薄。这样,冰柱顶部生长慢,下部生长快,所以冰柱也就自然而然被拉得越来越长了。因此,在冰柱的形成过程中,冰柱表面与周边空气形成的温度差,是塑造冰柱的主要角色。

更多的问号

现在,冰柱如何生长,如何被拉长我们知道了。但冰柱是不是都是经典的倒圆锥呢?都只有一个尖头吗?为什么有的冰柱上面会生出皱纹?

之前的观点认为,大多数冰柱的形状基本相同,是呈锥形的。而且,从任何部位折断冰柱,余下的部分还是会长成锥形。然而,加拿大多伦多大学科学家斯蒂芬•莫里斯却发现了另一番情景。

为了在实验室中研究冰柱,莫里斯建立了一个能旋转的制冷装置来生成冰柱。旋转是为了里面生成的冰柱会均匀受冷,这与烤箱中的烤鸡为了均匀受热而反复旋转的情形很像。实验室中的冰柱大约长到了半米长,虽然有些冰柱看起来挺像锥体的经典冰柱,但其他那些却不太像,那些冰柱在底部长出了奇怪的“冰脚”——冰柱在生长的底端分叉了。经过电脑模型的演示,莫里斯发现,实验室里静止的空气是冰柱底端变形的重要原因。只有在屋外有一定空气流动的情况下,才会形成具有单一尖头的经典冰柱。

此外,许多天然的冰柱表面还有小波纹,仿佛套在上边一圈又一圈的环。有人曾用冰冻水和空气之间的表面张力——液体表面层由于分子引力不均衡而产生的的张力——来解释:表面张力越大,冰柱表面上的褶皱就越不明显。这种说法似乎挺合理。形成天然冰柱的往往是屋檐上滴淌的脏水,而掺有杂质的水表面张力系数较小,因此造成了涟漪状的褶皱。在莫里斯的实验中也证实了这一点,表面张力较大的蒸馏水生成的冰柱表面上并没有皱皱巴巴的,而用自来水生成的冰柱,尽管杂质不多,但立即出现了褶皱。看来,冰柱的褶皱确实与水的纯度有关。

冰柱还有许多秘密等待我们揭开。如果未来某一天,科学家真能把这块“坚冰”敲碎,毫无疑问,我们将能更好的预防冰柱的危害,也能制造出更完美的人工冰柱。

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