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为什么冰通常是混浊的?

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  冰上行走

  当冬天来临的时候,在北方,随着寒冷季节而来的是冰雪,以及冰雪带来的“挑战”。比如,有一个交通术语届时会让开车一族非常警惕,那就是“黑冰”。

  “黑冰”指的是冬天悄然出现在柏油马路上的一种薄冰,它本身并不是黑色的,而是透明的。由于“黑冰”很薄,当它覆盖到柏油马路上时,就会与路面融为一体,透出马路的柏油色。车辆一旦行驶到“黑冰”上,就失去了地面摩擦力,容易引发重大交通事故。

  “黑冰”很难被人发现,因为它是无色透明的薄薄一层。然而,自然界也可以结出又厚又透明的巨大冰体,比较著名的例子就是东欧斯洛伐克共和国境内最大的淡水湖——“Velke Hincovo Pleso”。

  2014年冬天,一位名叫托马斯·努努克的网红在YouTube上传了自己在“Velke Hincovo Pleso”旅游的视频。他的视频火爆了全球,因为视频显示努努克和同伴正走在一片完全晶莹剔透的湖面上,湖面以下的湖冰是如此透明,以至于努努克看起来就好像在湖底岩石的上方悬空行走,令人惊叹。

  当然,人们也注意到,完全透明的冰在自然界中并不常见。除了“黑冰”和少数洁净的湖冰,其他自然界的冰或者人造冰则显得更浑浊。比如孩童暑假在家中自制的冰块,常常看上去就好像白色的棉花糖块——这与透明的“黑冰”形成了鲜明的对比。

  物理原因

  那么,为什么“黑冰”和少数湖冰是透明的,而很多普通的冰块却是浑浊的?

  冰是由水冻结而来,水质成分无疑会直接影响冰的透明度。我们平时所见的液态水似乎都是透明的,但水晶莹剔透的外表其实带有欺骗性——不管它看起来有多干净,它永远不会100%纯净。在自然界随意取些水的样本仔细分析,你会发现其中可能含有漂浮的有机物(比如藻类和植物残骸)、悬浮的灰尘以及矿物质(比如石灰和各种无机盐),而且水中一般还会含有大量的溶解气体,比如可供鱼类呼吸的氧气。

  水中的杂质和气体是让大部分冰块看上去浑浊灰白的重要原因,因为大部分杂质和气体在水中的溶解度都是随着温度下降而下降的,随着水温降低,它们会逐渐从水中析出,变成浑浊的部分。而且,大部分冰块都是从外向内结冰,从而将杂质和气体的水溶液“驱赶”向冰块的内部。冰体增大的同时,水体在减少,这使得冰块内部杂质和气体溶液的浓度越来越高,析出更加集中,最终形成较大的杂质颗粒和气泡。

  除了水质因素,水结冰的方式也会显著影响冰的透明度。冰是由晶体组成的,当水快速冻结时,冰晶往往又小又多,较多的小冰晶会对光线产生较多的反射和散射,使冰看起来发白。而缓慢冻结的冰往往由更少更大的冰晶组成,可以让光更容易透射。

  让冰透明

  概括地说,只有当冰缓慢冻结并且没有太多杂质和小冰晶时,它才会变得清澈透明。“Velke Hincovo Pleso”的湖冰就完美满足了上述这些条件——洁净的湖水在风平浪静的时候缓慢冻结,先是在湖水表面形成了一层大约2厘米厚的“冰毯”,然后从上到下(而非“包围式”的从外向内,从而能够让杂质向外“逃逸”),让冰晶缓慢生长,形成空气般的“水玻璃”。

  类似的物理过程发生在马路的“黑冰”上——尽管“黑冰”的水源并不单一(可以是露水、毛毛雨滴或者融化的雪水),它总是在低风速期间缓慢冻结,始终很薄,几乎不含杂质。这就是为什么黑冰如此透明的原因。

  人造冰也要遵循同样的物理定律。孩童在家里制冰时,只是将水注入制冰模具,然后把装满水的模具关到冰箱里,坐等水结成冰块。模具中的水由外向内骤然变冷,其中的杂质没有“逃逸”的空间,自然做不出透明的冰块。

  而酒吧和餐厅中使用的制冰机,构造复杂,价格昂贵,但有着控制水体的冻结速度和冻结方式的功能,从而能够制作出透明的冰块。比如,一些肯德基或麦当劳的制冰机将制冰模具竖立放置(而不是像家里那样平放),注水也是喷淋式的。工作时,纯净的蒸馏水自上而下流过立起来的制冰模具,冰晶会统一沿着水流方向生长,而新结的冰所排出的杂质也会被冲走,这样得到的冰块就非常透明。

  可见,想冻出清澈透明的“完美”冰块,还是挺不容易的。

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