冰钉

冰钉（英语：）是一种突出一般冰面的冰，其形状通常近似于倒置的冰柱，尖端朝上。数十年来，有些人认为冰钉是由表面许多小块冰晶自然形成，但是此情形极为罕见。最近几年网络上开始流传天然冰钉的相片，以及用蒸馏水和家用冰箱制造人工冰钉的方法，这让一些科学家开始在实验室中测试该假说。现在已知波利－多尔西模型（Bally-Dorsey model）能解释冰钉生成的原理。该理论于20世纪早期被提出，但许多年来未在实验室中测试。虽然实验似乎让波利－多尔西模型的正确性获得证实，但人们还未能完全了解此现象，也衍生出有关天然冰钉形成的问题。天然的冰钉能以非倒锥的形式出现，而且因为其他型态的冰钉还未有正式名称，所以它们常被描述为冰烛、冰塔或冰瓶。还有一种特别的倒金字塔形冰钉。[1]

冰钉
院子里的冰钉
倒金字塔形的冰钉
结冻的雨水中出现的冰钉

虽然通常天然冰钉长约数寸，不过加拿大人杰纳·荷瑟（Gene Heuser）曾描述1963年他在结冻的伊利湖上看过冰下的水受压突出冰面，形成如电话线杆般、遍布湖面而且高约五英尺的冰。[2]

背景

几十年来人们认为冰钉是罕见的自然现象。[3]时至今日，由O·波利和H·E·多尔西独立提出的模型最为科学界接受。[4]冰钉倾向在水盆和宠物碗等容器形成，与湖泊或池塘等较大水体相比，此种环境中结冰更为迅速。[5]网络上已经出现许多相关相片和讨论，而且也有多起成功在家用冰箱制造冰钉的案例。[6][7]此可行性促使一些研究者如肯尼斯·G·利布瑞区特（Kenneth G. Libbrecht）进行于受控环境中制成冰钉的必备条件测试。[3][4]

形成原理

自然形成的冰钉常为圆锥状或多面体（以三面者最为常见），偶尔能在雨水槽或自来水槽见到。[8]水于结冰后体积会增加9%，而反映其内部构造，冰晶常呈现六角柱形。顶部和底部的六角形被称为底面（basal plane），和六角形底面垂直的方向称为C轴。[9]

表面的水在容器壁不规则处成核，然后向内部冻结。如果第一块冰晶的C轴并非竖直，底面会在一条C轴的垂线与表面相交，此时形成冰针倾向沿该垂线在表面散布。同时帘幕状的冰顺着底面伸入过冷的水中。当冰组成的薄层覆盖大部分的水面后，冰晶开始汇聚且被牢牢的固定着，而冰层继续扩展，直到在水面中央留下未结冻的小洞。[9]幕状雏晶常以60度相接，所以小洞多为三角形，但是其他形状也不无可能。[6]下方的冰持续向水中延伸，并把剩余的水从小洞中挤出，造成比冰面略高的半月形凸起。凸起边缘的水结冻后成为有如小水堤一般，让水在其上略微提升、结冻，然后又有水能往上攀附。若是水增高的速率和洞口结冻的速率一致，那此过程将反复进行，形成许多连续的冰层组成的冰管，等到所有的水都结冻或管口封闭时才停止成长。[9]冰钉的形成和容器的形状、水中杂质的浓度、空气温度和水面上的空气流动有关。[3]从一粒雏晶形成的冰钉和冰面的交角不一定为90度。[5]

冰箱里的冰钉

一般人能在家利用蒸馏水、塑料制冰盒和冰箱制作小型冰钉。自制冰钉的原理和天然形成者类似：冰向内延伸使得冰块内部空间缩小，增加的压力把水向洞口外推出。冰钉在顶端的水结冻之前都不会停止生长。[4]此方法通常会产出顶端尖锐且横切面为圆形或三角形的冰钉。该实验已在实验室中成功进行，科学家发现非蒸馏水中的杂质会抑制冰钉的形成，但是有时候自来水和雨水结成的冰也能长出冰钉。[nb 1][10]有些研究者认为小冰钉在冰箱中形成时，杂质会集中在管顶未结冻的水中，并阻碍水结冻。然而他们相信必有其他的作用移除天然形成中的大冰钉顶端的杂质，像是在小冰钉中不易见到的对流等。[3]

图集
  • 在冷冻库中形成的冰钉
  • 制冰盒里的冰钉
    制冰盒里的冰钉
  • 倒金字塔形的冰钉
    倒金字塔形的冰钉
  • 一夜严寒后形成的冰钉
    一夜严寒后形成的冰钉
  • 在罕布夏郡的亚特利发现的冰烛
    在罕布夏郡的亚特利发现的冰烛
  • 塑料桶中雨水形成的冰钉
    塑料桶中雨水形成的冰钉
  • 有两根冰钉的制冰盒
    有两根冰钉的制冰盒
  • 结冻的水槽中出现大量的冰钉
    结冻的水槽中出现大量的冰钉
  • 冰钉
    冰钉

参见

注解
  1. 此现象的调查者之一利布瑞区特承认他无法完全解释为何有些自来水也容易形成冰钉。

参考数据
  1. . Got Spikes on Your Ice Cubes?. Caltech. [2017-07-06]. （原始内容存档于2016-11-07）.
  2. Kirk, Harold. . Harbor Creek Historical Society Newsletter. University of Toronto. [2017-07-06]. （原始内容存档于2016-11-07）.
  3. Libbrecht, K G; Lui, K, (PDF), 2003 [2017-07-06], （原始内容存档 (PDF)于2016-04-23）
  4. Lederer, Samuel. (PDF). Caltech. [2017-07-06]. （原始内容存档 (PDF)于2015-07-24）.
  5. Morris, Stephen. . Scientific American (Nature America, Inc). 2007-04-30 [2017-07-06]. （原始内容存档于2013-02-27）.
  6. Morris, S. . Non linear Physics Group. University of Toronto. [2017-07-06]. （原始内容存档于2017-03-14）.
  7. Carter, James. . Geography-Geology Department. Illinois State University. [2017-07-06]. （原始内容存档于2017-11-26）.
  8. Burt, Stephen. . Weather. March 2008, 63 (3) [2017-07-07]. Bibcode:2008Wthr...63...84B. doi:10.1002/wea.212. （原始内容存档于2017-09-11）.
  9. Schlatter, Tom; Knight, Dr. Charles. . Weatherwise. March–April 2009: 58, 59.
  10. Libbrecht, Kenneth G. . Snow Crystals. Caltech. [2017-07-06]. （原始内容存档于2017-07-08）.

延伸阅读
  • Bally, O.̈ Uber eine eigenartige Eiskrystallbil-dung. Helvetica Chimica Acta 18 (1933), 475
  • Dorsey, Herbert Grove. . Physical Review. 1921, 18 (2): 162–4 [2017-07-06]. Bibcode:1921PhRv...18...85.. doi:10.1103/physrev.18.85. （原始内容存档于2019-05-13）.
  • Hallet, J. (PDF). Journal of Glaciology. 1959, 103 (28): 698–704 [2017-07-06]. （原始内容 (PDF)存档于2012-12-02）.
  • O'Hare, Michael. . . Profile Books. 2007: 139, 142. ISBN 1846680441.
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