透明冰

生活科學趣談

這則影片的拍攝地點位於斯洛伐克一處位於高塔特拉山脈的高山湖泊,從影中人走的戰戰兢兢可判斷這是一層薄冰,有幾處的冰下還能看見有空氣泡的存在

這則影片則位於瑞典耶姆特蘭一處常於冬季舉辦滑冰賽的Blanktjärn,冰下可清楚看到魚在游動。根據攝影師的說法,此時冰層厚度大約10公分左右。

這種看起來好像在水上行走的聖經式畫面,常見於結凍的薄冰湖面在下過雨之後出現,例如這則文章→《Walkies on water!》。水在結冰時是一種重新結晶的過程(recrystallization),這是化學上純化固體物質的方法之一,通常利用適當的熱或溶劑將固體溶解,然後將溶液冷卻,此時會產生過飽和狀態,於是溶質結晶析出。在這結晶過程中,溶質會附著於晶體的晶格上而很整齊的長晶出來,然後將其他異物排斥在晶體格子之外以達到純化的效果,冰晶也是如此。記得小時候我在市場幫忙時,有時得去買冰塊來冷藏某些商品(ex.魚皮、鵪鶉蛋)。冰販會將大型冰塊先鋸成以「手」為計量單位的小冰塊,我通常是買「一手」(約20cm×20cm×40cm),而且會挑晶瑩剔透的透明冰,因為這種冰塊融化的時間比較長。靠近大冰塊中央的則色澤偏白,這是冰塊在結晶過程中從水中被析出的空氣,因為無處可逃最後全部都被集中到中央地帶所導致,這種含有大量氣泡的冰塊由於質地澎鬆,買這種以體積計價的冰塊非常不划算^^。

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還有,小時候我們會把養樂多冰凍後才享用,因為這樣可以吃很久。不過在持續的吸吮之後,甜味會越來越淡,養樂多最後會變成白色而平淡無味的冰塊。這也是因為養樂多在結冰過程中,會將異質排斥到晶格之外,這些甜味與香味的物質是以微小液泡的型態存在於冰晶的缺陷結構中。這些高濃度的雜質由於凝固點很低,是以液體的型態存在,因此較容易被吸吮出晶格外,所以養樂多才會越吃味道越淡了。

結論:透明冰通常在薄冰的情況下比較容易發生,因為結冰是從湖面開始,此時水中所溶解的氣體被排擠後尚有冰下水體可去,如此就能顯露其清澈度。而湖水的結冰速率也不能太快,如此水中溶解的氣體才能有充裕的時間被排擠至冰面下方而不至於被包進冰中。另外,如果冰面上也沒有雪的沈積,那麼湖面的透明度就會很高,因此可以透光而清晰的看見水底景物。反之,若湖水全體都結凍,由於氣泡最後無處逃逸,就會被包在水底的冰塊中,這會導致光的漫射而呈現出白色。加上水結冰時體積會膨脹,一旦全部水體均膨脹,那麼多出來無處可去的冰塊就會將冰面擠裂而降低其清澈度。最後還有一項最重要的因素,那就是得有一場即時雨來協助,將表面凹凸不平的冰面溶成一水平鏡面,就如同這篇文章一樣→《為什麼烏尤尼鹽沼會出現六角形地磚?

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