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| 2010/04/19 18:18:19瀏覽2653｜回應0｜推薦2 | |
冰是一種常見物質，卻有著不常見的特性──它能像河流一樣向下流，像鑿子一樣刻劃岩石，像鏡子一樣反射陽光，像軟木一樣浮在水面。以人類角度來看，它是漁夫在冬天的平台，是曲棍球員努力奮戰的競技場，是優雅的花式溜冰選手的舞台，是岩石刻印不可或缺的因子。在歷史上的聖誕節，喬治‧華盛頓也曾穿過冰層，橫跨美國德拉亙州；鐵達尼號在一九一二年的處女航撞上冰山而沉沒。在馮內果的作品《貓的搖籃》（Cat's Cradle）當中，它是世界大災難的主要因素。冰的觸感十分冰冷，它的寒冷特性不只是舒緩肌肉緊繃的良方，在一個世紀前，也是家中冷凍時廣泛使用其優點的一種工具─冰箱。
何謂冰？簡單來說，冰就是固態的水，或者更為人所知的就是單純冰凍的水。化學上兩個氫原子與一個氧原子結合，就是一個簡單的分子，典型以六角形水晶格的方式組成，最容易在雪花中看見形體。液態水變成固態冰的過程中，有個非常不尋常的特性會出現，大部分的液體在它們固化時體積會縮小，但是水結凍會膨脹。同樣的水在固態時的體積比液態大，因此固體密度比液體低，這種特性讓冰能浮在水面上，這種現象的規模大小從飲料杯的浮冰到浮在海上的巨大冰山都有。沒有別的物體在固化後密度會降低。 每個人都聽過「冰山一角」這個說法，基本上這表示有更多的東西是眼睛看不到的。但是比起浮在海面上的冰，究竟有多大量的冰在海面下？答案通常是比看得見的冰多上好幾倍的高度，接近八或九倍或十倍，這個數字來自於一個事實，冰的密度只有水的十分之九。不過最適當的比較是海面上和海面下大量的冰，那和冰山的形狀有關，同樣體積的金字塔型冰山和立方體冰山有不同的根幾何形。 冰有另一個迷人的特質，就是它會向下流動，就像冰河。我們通常認為流動是液體的特性，因此我們陷入一種看似矛盾的理論：會流動的固體？這種矛盾的解答出自於一個事實，那就是大部分的固體接近融化溫度時，硬度就會降低，逐漸變軟。一條剛從冰箱拿出來的奶油很硬，容易折斷，但是同樣的奶油擺在廚房餐桌上就會變溫暖，然後變軟，有延展度，即使它還是固體。相同的，蠟燭是硬的，靠近火焰就會讓它變軟。冰也是相同道理，即使摸起來很凍，但事實上它很接近溶點華氏三十二度（攝氏零度），非常脆弱、易碎，所以只要時間夠久，它會像河流般從高山或高原流下，即使還是固態。 固體的脆弱不只是和溫度有關，那也是時間問題。傻瓜黏土是一種粉紅色像土的物質，深受小孩和大人喜愛，受壓的速度快慢會讓它呈現不同形狀。如果用力扯，它會像小樹枝一樣被折斷，掉了會像橡膠一樣彈起來；但是慢慢捏卻可以像泥土一樣被塑形。相同的，岩石用槌子可以敲成薄片或斷裂，受到數百年來穩定的地理推力會彎曲或流動。美國東部的阿帕拉契山脈（Appalachian Mountains）有一片廣大的溪谷和山脈，那是地球岩石地殼的巨大皺摺，經過非洲和北美洲緩慢接近碰撞所造成。 冰不一定得靠山坡才會流動，它會因本身的重量向某一側延伸。隨著雪在某個地區不斷累積，舊的雪會慢慢被上面的新雪重量擠壓，最後壓力使雪重新結晶成冰，當累積足夠的冰而達到某個厚度時，它會開始把更深的冰向外推擠；像把薄餅糊倒進平底鍋，即使把餅糊倒到鍋子中央，它也不會留在原地，它會迅速向外擴張成一大片，最後就能煎成一張薄餅或鬆餅。如同冰在地球上的模樣，冰累積到很厚就會向外流動，形成像大陸般的冰原，遍及幾千英里，但是只有一到兩英里厚。 冰在冰河時期擴散到各大洲，從高山流到海洋，在地球上刻劃出顯著的景致。流動的冰就像大型堆土機，會侵蝕和搬動它經過的東西，土壤、岩石和植被都會輕易臣服於它的威力。深入挪威、阿拉斯加、智利和紐西蘭海岸的美麗峽灣，都是冰河嚴重侵蝕下的產物，從近代的冰河世紀留下的美麗遺跡。當冰河的冰最後融化時，冰河作用的殘屑就會單純留在某地，形成一層冰河沉積物，成為地球歷史劇情起伏的另一段紀錄，而部分沉積物富含有機物質，組成現在大量的泥土，為世界上的人類帶來食物。 冰，具高反照率 冰還有另一個重要的特性就是「反射」。在冬天從事戶外運動的人，無論是滑雪者、溜冰者、健行者或雪上摩托車駕駛，都知道或已慘痛學習到陽光從雪和冰反射造成曬傷的危險。所有組成地球面貌的表面，舉凡泥土、岩石、植被、海洋和冰，都會反射部分陽光回外太空，但是效果都輸給雪和冰。顯示有多少射進來的陽光能夠被反射開來的表面特性，稱為「反照率」，拉丁文是albedo，是白色的意思。表面擁有25%反照率的意思是，落到這個表面的光有四分之一會反射回外太空。不意外的，像是黑色岩石、非常深色的表面泥土和深綠色植被反射的陽光很少，因此反照率很小，也就是說它們沒有很「白」。 特別是與水相比，冰的反射在航行經過極圈海域時扮演一種有趣的角色。在北極海和南大洋邊緣，春夏之際海冰破裂會顯現出海冰區和開放海域。一個登船的航行者要面臨的挑戰，就是在海冰之中找出開放海域的通道，此時擁有反射率的知識就有很大的助益。 白色海冰反射陽光的效果比深色海水或無冰的陸地還要好。當雲從頭上飄過，就有更多從冰反射的陽光，以一種擴散光照射在雲底。就和城市夜晚的燈光將白熱光投射在天空，在數英里外就能看到的道理相似。對於極地的航行者來說，遠方的雲出現光亮就表示底下有冰，陰暗則表示開放水域，早期航海家有句常說的話「看著雲，找到水」，就是口語所說的「冰映光」或「水映天」，那是從極地探險者的航海日誌和日記中參考而來的，這種現象同樣在北極當地居民文化中廣為人知。 當庫克船長在一七七四年一月航行超過北緯七十一度，也就是他三次探險之旅中最南的一次，在他真正看到冰之前，他在很遠的地方就從冰映光得知他離冰的邊緣很近了： 「 我們意識到南邊海平面上的雲，有一種不尋常的雪白光亮，那讓我們知道我們正接近冰層..我們海平面的南半邊受到好幾層光照亮，那是從冰反射到一個相當高的高度。」 以一個更大的範圍來看，冰和雪的高反照率對地球氣候影響很大，因為極地冰帽反射了很多照射在高緯度的太陽能。隨著目前北極海域的冰在夏天快速消失，北極海的反照率也在改變，白色的冰和深色海水之間的平衡已經傾向暗沉，反射率逐漸下降，導致較少的陽光被反射，很多被吸收。在氣候術語上，這種不平衡狀態表示北極一直在暖化，因為它留住更多太陽能。 冰和光互動的方式，有別於其他簡單的反射作用。反射的光通常看起來和射入的光很像。反射動作對顏色並沒有特殊喜好，沒有辦法來加強任何一種組成陽光的顏色。但是那和透過冰傳送的光不能混為一談。水分子的分子結合，冰的結晶結構，還有像細小泡沫的不純物質一起作用，就像是個過濾器，移除可見光譜的紅色和黃色，只有藍色相對可以順暢無阻通過，因此讓藍色這種奇妙色調加深了雪和冰河的冰。 自然產生的冰分散在世界各地，但並非每個地方都能找到。事實上，即使冰是那麼普遍存在和令人熟悉，世界上還是有某些地方，冰曾是令人好奇且不熟悉的物質，或許現在還是。在《百年孤寂》（One Hundred Years of Solitude）這本書（註5），場景在馬奎斯（Gabriel Garcia Marquez）的母國哥倫比亞，他如此描述： ……一個巨人擁有毛茸茸的身體和光頭，鼻子有個銅環，腳踝有個沉甸甸的鐵環，看管著一只海盜的寶箱。當巨人打開寶箱，寶箱出現一陣冰冷白煙。裡頭只有一塊很大的透明物體，內含無限多的針狀結晶，那裡面，落日光線幻化成五顏六色的星星..老邦迪亞叨叨自語：
地球何處會自然產冰？答案很簡單，只要是水能結冰的地方，以及冷到足以讓它冰凍的地方都會有。讓我們先從不同位置來看看到底什麼控制了地球溫度。在地球表面，廣泛的溫度變化與太陽光線照射地球的角度有關。在赤道，光線幾乎是垂直照射表面；而靠近極圈，光線只是擦過表面。那表示，只要離赤道愈遠，能夠溫暖地球表面的陽光熱度會愈少。這建立一種普遍的模式，愈靠近極圈，溫度就會逐漸降低，極圈的年均溫大約比赤道低華氏九十度（約攝氏五十度），或者從赤道到極圈，每七十英里氣溫大約降華氏一度（約攝氏零點五五度）。全世界當中，極圈是冰的主要領土範圍，這並不令人意外，包括南極洲以及整個北極海和格陵蘭。 …… 一些細小的冰結晶也來自冰冷平流層的高處，它們會催化表面，將人造的氟氯化碳與氯分離，氟氯化碳就是早先造成冰箱產業革命的物質。接著被釋放的氯在每年春天毀損平流層的臭氧，因此在南極圈形成季節性的臭氧破洞。臭氧消耗殆盡的後果，就是讓到達地球表面的紫外線增加，使生物圈受到紫外線的傷害。特別是人類會容易得到皮膚癌、白內障和免疫系統損傷的疾病。 …… 在海底之下冰也會沉積，那是一種結晶結構，存在於不是很圓的孔洞中。這種冰的形成深度相對較淺，約海底下五百多英尺，形成於沉積層。這類特殊類型的冰遍布於大陸棚，偶爾會出現在各大洲的深湖，就像西伯利亞的貝加爾湖。讓這種海底的冰有特殊效益的原因，是它將甲烷（天然氣）包含在籠狀分子的能力。透過鑽取大陸棚的沉積物，已經從世界各地取得這種有氣體的冰樣品，它們被點燃時，看到一大塊的冰燃燒，根本違反了我們的認知。甲烷當然是這個工業化世界的重要資源，但是當它進入大氣層時，也是一種潛在的溫室效應氣體。甲烷從它在冰的次表面牢籠中釋放，也成為氣候改變的一種隱憂。 我們一般認為水變成冰只是溫度因素，但是壓力也有關係。冰在地表形成的壓力多少都是統一的，那是一種大氣重量壓在地表上面的壓力造成。這種數量的壓力被非正式稱為「一大氣壓」或「一巴」。在這麼重的壓力之下，淡水在氣溫低於華氏三十二度（攝氏零度）就會結凍。 …… **本文摘自《無冰的世界》Chapter 2 冰和生命：地球上與地球之外 |
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| ( 時事評論｜媒體出版 ) |
