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冰的特性

  水結(jié)成冰(六角結(jié)晶形)的三維晶體結(jié)構(gòu)(c)(2)，是由許多的H-O-H分子(b)，以平面六角形的格狀分布所構(gòu)成的(a)。H-O-H的角度和O-H鍵的長度，是由冰的物理性質(zhì) 所決定的，并分別具有±1.5°和±0.005?的不確定性。而 (c)(1)中不明顯的白色線條(需放大才可清楚看到)，則是用來標明并分隔相鄰的單位晶格。

冰是一種天然存在，且由水分子組成的“結(jié)晶無機固體”。因此，它是以水分子“一個氧原子共價結(jié)合兩個氫原子”，或表示為 H–O–H的規(guī)律結(jié)晶所構(gòu)成。然而，許多水和冰的物理性質(zhì)，是由氧原子和相鄰氫原子之間所形成的氫鍵來控制。雖然氫鍵屬于弱鍵，但它仍然對水和冰的結(jié)構(gòu)有至關(guān)重要的影響。

冰在大氣壓力下，擁有一個非常不尋常的特性：冰固體的密度比液體水小了大約8.3％。冰在0℃,一大氣壓時的密度為 "0.9167公克/立方公分" ，而水在相同條件下的密度約為" 0.9998公克/立方公分"。在普通的大氣壓力下，水在4℃時，密度是最大的(約1.00公克/立方公分)，并且隨著水分子漸漸結(jié)晶，總體密度逐漸變小。這是由于氫鍵的影響超過了分子間的凡得瓦力，導致水分子在固體時填充地較不致密。冰的密度在溫度下降時會略微增加，并且在溫度達到 -180℃(93 K)時，密度變?yōu)?.9340公克/立方公分 。

當水結(jié)冰的時候，它的體積會增加約9％。 水在結(jié)冰時膨脹的效果是極為巨大的，結(jié)冰膨脹是風化現(xiàn)象中凍融風化的基礎(chǔ)原因，也會造成建筑物地基的損壞和道路凹凸抬起。水管因結(jié)冰的壓力而爆裂，也是房屋漏水的常見原因。

這個現(xiàn)象所導致的結(jié)果是，冰（在其最常見的形式）會浮在液體的水中，這也是地表生物圈的重要特征之一。許多科學家相信，假如冰沒有這種特性的話，大部分的天然水體將會暫時、甚至在某些情況下永久從上到下完全凍結(jié) ，導致淡水和海水動植物的大量死亡。結(jié)冰時厚度恰到好處的薄冰層，在允許光線通過的條件下，同時防止了外界環(huán)境導致短期的極端溫度變化，如寒風吹過的情況。這為細菌和藻類菌落制造了一個有充分遮擋的環(huán)境。當海水結(jié)冰時，冰層中充斥著被鹽水填滿的復雜小通道，而維持細菌、藻類、橈足類和環(huán)節(jié)動物等生物的生存; 這反過來又為其他動物：如磷蝦和特化的魚(如博氏南冰?)提供食物; 并因此喂養(yǎng)了較大的動物，如皇帝企鵝和須鯨等。

當冰融化時，它會吸收約等于同等質(zhì)量的水加熱至80℃的熱量。在熔化過程中，溫度會恒定地保持在0℃。而熔化時，外界加入的能量會被用來打破冰(水)分子之間的氫鍵。只有在足夠的氫鍵被破壞，冰的狀態(tài)已經(jīng)變成可以被當作是液態(tài)水時，加入的能量才會使熱能(溫度)增加。在從冰變成水的過程中，斷裂氫鍵所消耗的能量被稱為熔解熱。

就和水一樣，冰在吸收可見光時，會因為氫氧鍵(O-H)的關(guān)系，主要吸收光譜上偏紅色的部分。與水相比，這種吸收略為向光譜能量較低的部分偏移。因此，冰看起來帶點藍色; 而且和液態(tài)水相比，帶有略為綠一點的顏色。因為吸收效應(yīng)是累積的，顏色效應(yīng)會隨著厚度的增加而加劇(或者如果因為內(nèi)部反射，導致光需要在冰中通過較長的路徑的話)。 在光線照射下，冰也可能因為有雜質(zhì)吸收光，而呈現(xiàn)其它的顏色。在這種情況下，產(chǎn)生的顏色主要由內(nèi)含的雜質(zhì)決定，而不是冰本身。例如，含有雜質(zhì)的冰山（如：沉淀物、藻類、氣泡......）可能會出現(xiàn)棕色、灰色、或綠色。

  紐約東南部的冰瀑

冰的光滑性

最初，科學家認為冰會滑的原因是：當物體與冰接觸時，界面施加的壓力導致最表面的一層薄冰融化，并使得物體容易在冰水的交界滑動。 例如，當溜冰鞋的刀片在冰面上施加壓力時，會將接觸部分的冰溶化，并在冰和刀片之間提供潤滑。這種解釋，也就是所謂的“壓力熔化論”，最初起源于19世紀。然而，它并沒有考慮當溜冰時冰的溫度低于-4.0℃的情況，而這在溜冰時往往很普遍。

另一個同樣古老的解釋是：表層的冰分子，和冰內(nèi)部的其他部分結(jié)合得并不是很穩(wěn)固(因此便如同液態(tài)水分子般的自由移動)。這些分子處于類似半液體的狀態(tài)，在不管多大或多小的壓力下，皆可以為物體提供潤滑。然而，這種假設(shè)的正確性，在使用掃描探針顯微鏡發(fā)現(xiàn)冰的摩擦系數(shù)應(yīng)該很高后，受到了質(zhì)疑。

在20世紀，科學家提出了另一個解釋 ：摩擦生熱，即摩擦時所產(chǎn)生的熱量是冰層融化的主要原因。然而，這個理論不能充分解釋為什么即使在零度以下的氣溫，站立在冰上時仍然容易滑倒。

最近幾年，針對冰的實際摩擦狀況，出現(xiàn)了一個考慮所有上述摩擦機制的綜合理論。 這個模型對冰的摩擦情形進行數(shù)據(jù)分析，并且針對各種材料，以溫度的變化和滑動速度來做量化計算。在仔細計算常見的情況(如冬季運動和冰上的車輪)后發(fā)現(xiàn)，“摩擦加熱”所產(chǎn)生的冰層表面熔融，是造成冰容易滑動的主要原因。

冰在自然界中的存在

  在阿爾塔 (挪威)拍攝的羽狀冰照片，這種冰晶一般在?30 °C以下的溫度形成。

冰是全球氣候的關(guān)鍵組成部分之一，尤其在水循環(huán)的部分起著重要的作用。冰川和積雪是淡水的重要儲存機制; 隨著時間的推移，它們可以升華或融化，并重新變成淡水加入循環(huán)。融雪也是季節(jié)性清水的重要來源。世界氣象組織由產(chǎn)地、規(guī)格、形狀、影響......等定義了許多種不同名稱的冰。 其中，天然氣水合物，是指其晶格內(nèi)含有天然氣分子的冰形態(tài)。

海洋中的冰

海洋中的冰，可能以漂浮在水中的浮冰形式，或著是以固定在海岸線或海底的固著形式出現(xiàn)。從冰架或冰川剝落下來的大量冰塊，可能形成巨大的冰山。有時海冰會因海流和風所產(chǎn)生的壓力，而互相碰撞擠壓，而且形成在某些情況下甚至可以高達12米(超過四層樓)的高聳山脊。船只在通過充滿海冰的區(qū)域時，一般都會選擇穿過不同冰體之間海面的較空曠處，或著必須使用一種特殊的船舶 -破冰船。

陸地上的冰

  下過凍雨后，樹上凝結(jié)的冰晶

陸地上的冰體大小相差極端，覆蓋范圍從最大型的冰蓋、到更小的冰帽和冰原、至冰川和流動的碎冰、山上的雪線、平地的雪地......不等。

積冰是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的冰，一般都形成于極地地區(qū)、或副極地地區(qū)的山谷之中。當河床結(jié)冰后，正常的地下水流動被阻礙，并導致當?shù)氐牡叵滤簧仙?，使得水流從冰層的頂部流出。流出的水自然的被凍結(jié)，造成水位進一步上升，并重復該循環(huán)。最后產(chǎn)生一個分層的冰沉積物，通常厚達數(shù)米。

凍雨，是一種在冬天落下，一碰到物體便結(jié)冰的雨。凍雨落到物體上結(jié)凍之后，累積之下有時會產(chǎn)生冰錐。這種方式所產(chǎn)生的冰錐，外觀看起來非常類似鐘乳石; 或著當水滴落、并重新凍結(jié)后，變成石筍狀的形式。

河流里的冰

  凍結(jié)的小溪

在流動的水域中形成的冰，和形成于平靜的水域中的冰相比，往往較不穩(wěn)定和不均勻。當原本流動的碎冰堆成塊后，便成為冰壩，是冰對河流威脅最大的形態(tài)。冰壩有時會引起洪水泛濫，破壞河中或河附近的建筑結(jié)構(gòu)，并使河上的船只損壞。冰壩甚至可能會導致一些水電工業(yè)設(shè)施完全關(guān)閉。冰川活動所產(chǎn)生的冰壩也是堰塞湖的成因之一。河流中漂浮的巨型碎冰，不但會損壞船只，還會讓破冰船難以航行。

冰圈是在河中形成的圓形冰結(jié)構(gòu)。

煎餅冰(松餅冰)，是一種一般于較不平靜的水中形成的冰。

湖泊中的冰

在平靜的水中，冰會先由岸邊開始生成，并產(chǎn)生薄薄的一層冰層在水域表面擴散，然后漸漸向下結(jié)凍。湖泊冰一般有四種類型：初形(Primary)、中形(secondary)、疊加形(superimposed)和結(jié)塊形(agglomerate) 初形的冰最先出現(xiàn)。冰的中形接下來則以平行于熱量流動的方向，于初形冰的底下形成。而當雨或水流從冰的裂縫滲入時，便可能形成疊加形的冰。

當浮冰在風吹之下堆疊在湖岸時，便成為湖架冰(shelf ice)。

蠟燭冰(candle ice)，是和湖面垂直發(fā)展的柱狀冰，屬于蜂窩狀冰(rotten ice)的一種形式。

空中的冰

  冰珠堆

霧凇

當小水滴在冰冷的物體上結(jié)凍時，便形成霧凇。在晚上溫度降低且產(chǎn)生霧氣時，便可能觀察到這個現(xiàn)象。軟凇的成分中，很高的比例都是被困在結(jié)晶里的空氣，所以它看起來較為白色不透明，并且密度只有純冰的四分之一。硬凇則相較之下密度較大。

冰珠

冰珠 是固態(tài)降水的一種，由雪花落下時融化再凝固所形成，外形為半透明冰球，比雹還小。

冰雹

  直徑超過6公分的大冰雹

雪花

鉆石塵

冰的作用

食品保鮮

冷卻

體育活動（溜冰、冰上曲棍球等）

冰雕

特殊的冰

熱冰：除了前面提到高壓下形成的熱冰之外，重水(D 2 O)在3.8℃時結(jié)冰，成為另一種形式的“熱冰”。

一般被稱為干冰的物質(zhì)實際是二氧化碳的固體狀態(tài)，與水沒有關(guān)系。

參見

永凍冰

冰川

冰山

復冰現(xiàn)象

雪

霜

雹

霰

霧凇

冰雕

冰塊

冰錐

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