千里冰封：能否冷冻地球？

西游漫话：

俗话说“一人得道，鸡犬升天”，灵感大王本是观音莲花池里养大的金鱼，观音姐姐心情不佳的时候，过来观花赏鱼解解闷。没想到金鱼不甘心只当被观赏的宠物，它也有远大的人生理想和抱负。近水楼台先得月，金鱼每天浮出水面，偷听观音讲解佛经，竟然自学成才修炼成精。它手持九瓣赤铜锤，一看就知道是莲花变幻的兵器，私自下凡跑到通天河为妖。它抢占老鼋的住宅，号称灵感大王，冒充神灵呼风唤雨，要村民奉献童男童女，保佑年年风调雨顺。

灵感大王有自知之明，自己那点微不足道的本事不是猴哥的对手。于是它发挥自己的强项，下一场雪使通天河结冰，想办法把唐僧弄到水底藏起来。猴哥虽然可以捏着避水诀钻进水里，但是它的功夫无法施展开，只能依靠水性厉害的八戒和沙和尚，两人多次到水底解救师傅。不过妖怪闭门不出，最后还是观音前来把这个妖怪收回，唐僧就此经历一难。

西游论道1：人工技术能制冷吗？

灵感大王作法使河水结冰，这是我们最熟悉的小把戏，家家户户厨房里的冰箱、冰柜就是快速制冷的电器。人类很早就懂得低温保存食品不易腐败，公元前2000多年，幼发拉底河与底格里斯河流域的居民堆垒冰块以冷藏肉类，中国在商代（公元前17世纪～公元前11世纪）用冰块保存食品。1822年著名物理学家法拉第发现二氧化碳、氨、氯等气体加压时会变成液体，压力降低时变回气体，液体变为气体的过程中大量吸收热量，使周围温度迅速下降，这为人工制冷技术提供了理论基础。

冰箱能使食物保持低温，减少细菌的活动，细菌需要更长时间使食品变质。1910年世界上第一台压缩式制冷家用冰箱在美国问世，1927年美国通用电气公司研制出全封闭式冰箱，1931年研制成功新型制冷剂氟利昂。现代冰箱由五个基本部件组成：压缩机、冰箱外部的热交换管、安全阀、冰箱内部的热交换管、制冷剂。冰箱工作原理如下：压缩机压缩制冷剂气体，升高制冷剂的压力和温度，外部的热交换圈帮助制冷剂散发产生的热量。制冷剂冷却时液化成液体，流经安全阀。液态制冷剂从高压区流向低压区，膨胀并蒸发，吸收大量的热量，发挥制冷效果。冰箱内的线圈帮助制冷剂吸收热量，使冰箱内部保持低温。

炎炎夏日，空调给人们送来清新的凉风。空调可看作是不带隔热箱的冰箱，两者制冷剂的蒸发循环机制相同。常见分体式空调将系统的冷热两端分开，如图2-10所示：冷端由膨胀阀和冷却盘管构成，安置在空气处理装置之中。空气处理装置将空气吹过冷却盘管，使用一系列管道将空气传送到房屋的各个角落。热端则安装在屋外，把室内吸收的热量释放到外部环境。

以上制冷结冰需要复杂的压缩、液化、汽化等物理过程，下面介绍点水结冰现象，简单到只需用手指一点，就会有奇妙的结果产生。所需材料包括醋酸钠（学名乙酸钠），蒸馏水，一个烧水的锅，一个玻璃杯。把大半锅水烧开，倒入醋酸钠并不断搅拌，直到水中不能再溶解。溶液倒入玻璃杯里面，放到冰箱里冷冻几个小时。将其拿出来缓慢倒到一个容器里面，用手指触碰一下溶液，溶液马上变成固态，还可以倒出来变成雕塑或者假山，更具艺术效果。

原来，乙酸钠属于弱酸强碱盐，水解时溶液呈碱性。溶液在100℃时间较长，盐水解产生的乙酸容易挥发。随着乙酸的逸出，水解平衡移动，最终变成氢氧化钠的饱和溶液。随着温度降低，一般会有溶质析出。搅拌过程中要确保醋酸钠尽量多溶解，看到有少量不溶解时才停止倒醋酸钠。拿出冷冻溶液和倒出时尽量缓慢，防止强烈的碰撞而凝固。

另外一个有趣的实验用芒硝进行，约需300克芒硝，可到各药房购买。把芒硝置于锅中，加水煮沸，边煮边搅拌，待底下有沉淀物出现时，小心把溶液倒入烧杯里。把瓶盖打开，取一粒芒硝结晶丢入杯里，杯里有闪闪发亮的东西向四面八方扩散，杯里的水溶液会慢慢凝结成块状。

图2-10 空调结构图

西游论道2：能有烫手的热冰吗？

水是生命之源，地球表面70%的面积被蔚蓝色的海洋覆盖，人体组织也有超过70%是水分。科学家对水的起源存在不同理论，第一种观点认为在地球形成初期，原始大气中的氢、氧化合成水，水蒸气逐步凝结下来，最终形成海洋。第二种观点认为形成地球的星云物质中原先就存在水的成分。第三种观点认为原始地壳中硅酸盐等物质受火山影响而发生反应、析出水分。第四种观点认为被地球吸引的彗星和陨石是水的主要来源，地球上的水还在不停增加。

在保健、长寿等养生理念的鼓动下，社会上涌现大量以高科技名义包装的神奇功效水。

1.电解水产生的碱性水中和酸性体质，有益健康

科学破解：电解产生的碱性水不会影响人体的酸碱度，人的胃液有很强的酸性，碱性水不可能通过胃而仍然保持碱性。

2.矿物质水提供人体所需的矿物质

科学破解：纯水不含矿物质，水在身体里面扮演溶剂的角色，喝没有污染的水对健康最重要，人体所需矿物质更多来自饮食，如蔬菜和水果。

3.能量水有效进出细胞，让细胞保持年轻(www.xing528.com)

科学破解：没有证据支持水分子结构能随意改变，这和水分子进入细胞壁的机制不相容，饮食添加物无法延缓人体老化。

4.磁化水对人体有益

科学破解：没有研究证实磁处理水有疗效，“抑制肿瘤细胞的产生”更是毫无科学依据。

5.氧化水让人活力充沛

科学破解：水只能溶解微乎其微的氧气，进入肠胃道的氧气不会被人体吸收。吸一口新鲜空气，身体得到的氧气更多。

日常生活中水以固态、液态、气态三种形式和谐共处，低于0℃时水凝结为固态冰，高于100℃时水沸腾变为水蒸气。水凝固成冰的一个重要条件是有凝结核，它可以是微小的冰晶或水中的悬浮物，或者是容器的外壳。不具备这些条件的水，可以长时间保持在冰点以下而不结冰。这时突然有凝结核闯入，液态水会迅速结冰凝固。日常水中溶解各种物质，达不到完全纯净状态，很难观察到过冷水。高空云层中的水滴在低于0℃时仍不冻结，称为过冷水滴，当飞机穿越有过冷水的云层时，云中的过冷水立刻在飞机表面凝结为冰块，容易发生坠机事故。现代飞机都装备自动除冰设备，就是防止过冷水在机翼表面结冰。

冰是很冷的物体，瑞士日内瓦大学研究人员发现，由于温度和压力的双重作用，编号为GJ436b的恒星周围环绕着一颗奇特行星，该行星上存在热冰，这些固态冰的温度高达300℃。该行星距地球约30光年，质量比地球大22倍，它的主要成分为水。行星表面温度高达300℃，内部压力极高，几百度的液体水仍保持固态，形成一种奇特的热冰。通常液态水在一个标准大气压下，温度降至0℃以下结成冰，这种跟寒冷联系在一起的固态水称为“寒冰”。水结冰还跟大气压有直接关系，压力越大，凝固冰点的温度越高。在超高压条件下结成的冰竟然是烫手的热冰，在20000个大气压下，80℃的热水结成冰。达到39000个大气压，冰的温度可达180℃以上。强电场也能够把室温的水结成冰，炎炎夏日，晴朗的天空在太阳强烈照射下，高空云层的气温不会达到0℃以下，然而有些地方却落下鸡蛋大的冰雹。这是在高空雷电强电场作用下，水汽加快凝结，一部分变成雨水，一部分变成冰雹落下来。

雪花是冬季的美丽景观，雪和冰的区别在于结冰过程中水分子的排列。云由水蒸气聚合而成，云中的水分子围着尘埃聚在一起，形成小水滴。小水滴从云中落下变成雨，小水滴结冰称为冰雹。雪花的形成更加微妙，围绕尘埃颗粒的水蒸气缓慢结冰，才能形成雪花。水分子排列成六角形的晶体结构，决定于它们的化学形态。

水分子有着极性较强的几何结构，一个氧原子绑着两个突出的氢原子。形成雪花的云层具有较低的湿度，水分子在合并之前必须散开生长成片状。水分子不会被推向某个特定的方向，而是作无规则的布朗运动。在生成雪花的过程中，水分子扩散1厘米的时间是扩散1毫米的100倍，主体向外延伸的部分更快捕获水分子，因为它们缩短分子到达雪花的距离。六角形中各个角最先获得水分子而继续增长，它们进一步向外延伸，以比相邻区域更快的速度增长。雪花形成的每一个精细步骤：树枝状的分支生长下一级分支，水分子储存的能量作用于雪花生长，这些都敏感地取决于云层的湿度和温度。雪花最后的形状也取决于水分子围绕尘埃颗粒排列的方式。这种排列是独一无二的，我们只能找到相似的雪花，但是却找不到完全相同的两片雪花。

图2-11 雪花的结构

西游论道3：地球能成超级冰库吗？

灵感大王的法术只能把通天河结冰，好莱坞电影导演的设想更加宏伟，他们试图要让地球变为一个超级冰库。2004年美国上映电影《后天》，气候学家杰克研究史前气候，指出温室效应将引发海洋洋流变化，北半球气温急剧下降，地球将迎来又一个冰河期，飓风、龙卷风、海啸将城市毁于一瞬间。电影中冲天巨浪涌进纽约，万吨巨轮被冲进楼宇之间。转瞬间气温骤降，纽约变成冰封世界，茫茫冰原只留下自由女神的头像。

电影中气候学家说这些风暴有强大的速冻能力，将冷空气从地球的对流层吸到表面。主人公忽略了一个重要的常识问题：对流层顶部的大气压只相当于表面气压的1/10，空气下降的时候压力会不断增加。根据玻意尔-马略特定律，体积会不断缩小。气团是非常好的绝热体，在这个体积变化过程中很少有能量的损耗。根据热力学第一定律，由于体积的缩小而对气团所做的功，即压缩空气所做的功将转化成为能量，气团温度会升高。在理想状态下，当零下100℃的空气到达地表的时候，温度会升高到灼热的57℃。即使考虑部分能量丢失和大气层空气的非理想化状态，温度也在0℃左右，绝对不会把自由女神、埃菲尔铁塔和伦敦大笨钟都冻成冰棍。

图2-12 电影《后天》

科学家认为，虽然人为的化学物质排放会影响海洋水流，导致地球部分地区变暖，但是不可能引发冰河时期到来，温室气体增加使地球大部分地区的气温升高。相对于两万年前地球最后一个冰河时期，地球的轨道产生变化，北半球在夏季从太阳吸收更多的热量，不太可能短期陷入冰河时期。气候变化会导致飓风或其风暴的产生，全球变暖以后水分蒸发得更快，大气层更容易产生风暴。可是这种情况具有偶然性，科学家运用最强大的超级计算机，也不能预计特定地区会有哪些大的气候变化。

影片多次出现气旋中心温度急剧下降的场面，运送英国皇室的直升机舱门刚打开，飞行员就被冻僵；霍尔教授眼看着一面美国国旗在飘扬的状态下被冻住；山姆去拿药品回来时拼命奔跑，身后的墙壁迅速冻结冰霜。人体储存有大量的热能，但靠冷空气传导以及人体本身的热传导，想快速把人冻成冰棍，那是不可能的，即使气旋达到绝对零度也做不到。电影里面冰迅速在墙上和地上凝结，先不说热量和热导率的问题，空气里哪有那么多水汽瞬间凝结成厚冰呢？

似乎没有一部影片像《后天》那样，在科学界引起如此激烈的争论。古气候资料清楚表明，历史上确实存在气候突变。最著名的要数发生在12000年前的新仙女木事件。当时全球刚度过上个冰河期，正缓慢地持续回暖。大概12900年前，北半球的高纬地区突然开始降温，整个区域很快回到冰河期的低温状态。这种状态大概持续了1300年，气温才又开始上升，这个降温过程看起来跟《后天》很类似。过去10万年内发生的类似事件有20多次，气候突变是几十年到上百年的过程，不是电影所描绘的几天就搞定。将这个“百年级”的过程压缩到“天级”，完全是故事发展需要。为了验证电影《后天》中的错误，科学家韦弗用计算机模拟分析今天的气候。毫无疑问，剧烈的气候变迁的确有发生，但不是发生在几星期之间，而是几十年之间。韦弗经过分析断言在未来的5个世纪内，不会发生大洋暖流中断的现象，他们的研究结果发表在《科学》以及《加拿大地理学》杂志上。