科學普及

神奇的球狀冰(冰蛋、冰球、冰湯圓)

       你還記得今年元宵節吉林洮南四海湖的“冰湯圓”嗎?

      2022年2月15日央視新聞客戶端發布《吉林洮南四海湖呈現“湯圓”湖面!網友:真應景!》,展示了四海湖國家濕地公園中成千上萬的“冰湯圓”,可謂巧奪天工,蔚為壯觀!在人們驚嘆大自然的神奇、享受自然帶來的樂趣時,腦子里也不禁冒出了一連串的問號,這些“冰湯圓”到底是什么?這是第一次出現嗎?它有著怎樣特殊的結構?是怎么形成的?

      近期,《湖泊科學》“自然解讀”欄目發表的大連理工大學解飛博士的文章《神奇的球狀冰(冰蛋、冰球)》[1]就揭開了“冰湯圓”的謎底,請跟隨我們來一探究竟吧!

一、冰蛋的真實身份

      球狀冰常被稱為冰球和冰蛋,實際在科學研究中通常用Ball ice、Slush-balls、Ice balls等詞組作為英文描述。冰球實質上是由氣象條件、水文條件和水濱地形等多種因素配合制造而成,簡單說,需要“天時、地利”來“搓合”。冰球本質上依然是由水凍結而成的固體,只不過摻雜著雪、泥、石子等雜質。冰球集聚現象多在入冬時的湖岸、海岸或者河岸淺水區出現,直徑變化范圍一般為4~100 cm。

二、冰蛋的歷史身影

      冰球早在1906年1月就現身于北美的密歇根湖(Lake Michigan)[2];1948年2???月,澳大利亞國家南極考察隊的懷亞特·厄普號在南極海域(66°S,152°E)也發現許多直徑為25~50 cm的球體漂浮在海面,稱為“Ball ice”[3],證明了冰球在極地地區的存在;1964???年冬季的South Bass島受風暴潮的影響岸邊也出現過冰球現象[4]。根據更詳細的報道,2003年德國Weser河河口觀察到了500個大小近似于足球的冰球,單個質量為4.3~4.7 kg,成排排列[5]。國外見證者對冰球集聚現象的感覺皆為:“Peculiar”“Unique”“OMG”!


三、近年的冰蛋報道

      隨著全球信息化發展,近年來冰蛋的報道逐漸增加。根據俄羅斯衛星通訊社報道,2017年12月,俄羅斯西北海岸的芬蘭灣出現了大小一致的冰蛋,直徑超過10 cm。2019年11月,位于波羅的海的Hailuoto島沿岸布滿了卵狀的冰蛋,這也是該地區極為罕見的現象。2021年11月,來自不同社交媒體上的新聞顯示加拿大Manitoba湖同樣被大量球狀冰覆蓋,小的如雞蛋,大的如籃球。

四、冰蛋的“蛋黃”

      在亞洲地區,日本Inawashiro湖通常在12月末到次年1月底會存在冰球,稱為“Ice balls”[6]。切片觀察發現冰球的晶體結構由直徑為1~2 mm的均勻粒狀冰組成,晶粒似乎具有隨機C-軸取向,卻與一般熱力學生長的粒狀冰有區別,更接近含有雪粒經過水面動力擾動凝聚再凍結的S4型冰晶體。特別的,該地區還同時存在神奇的“噴霧冰”,spray ice。

五、冰蛋的“烹飪”流程

      1. 菜譜

      湖泊從開闊水域凍結出穩定的薄冰層,會經歷初生冰、尼羅冰、板冰等多個階段。而冰蛋的產生只能發生在初生冰階段,并需要波浪作為推手。初生冰隨短波起伏滾動,其滾圓程度和分布范圍由波長和波高控制。起伏運動不斷增大、冰蛋圓滑且密實,并順風向運動到迎風一側的岸灘擱淺或堆積。一般岸邊水淺,灘涂溫度低,當最前排的冰球擱淺到岸灘上,會和岸灘凍結在一起。后續的滾球在第一批滾球穩定之后,就在第一排之后成排依次集聚。至于堆積能否觸底、能否數層,就完全決定于風速和持續時間。如果之后的風能夠引起足夠的增水,這些滾球就隨水凍結。當增水超過滾球高度,看上去冰球就像凍結在水內。當然也就有部分被水淹沒,凍結后的冰表面會存在不規則的凸起;或者沒有淹沒,成為岸灘上的雪球。

      2. 火候

        制作冰蛋的“炊具”和“材料”都是常見的,最困難的是“火候”。首先需要一段時間的緩和低氣溫促進水溫接近冰點,又不至于快速凍結成尼羅冰,給產生冰球提供一個時間窗口。其次,即便有產生大量冰球的初生冰體量,一般湖面凍結的往往不夠,需要降雪提供外援,而在這個初生冰窗口期遇上降雪的幾率很低。再者,需要波浪將柔軟初生冰逐漸“滾圓”,再通過風把滾圓的球推向迎風側岸灘,這些都離不開風速和持續的定向風。此外,具體哪個湖泊哪一側(或多側)是淺灘,才可能容易讓冰球擱淺、堆積取決于這個湖泊的形狀和地形。但是要令冰球向淺灘方向運動集聚的持續定向風維持程度卻因風的隨機性而很難。

      總之,冰蛋從出現、發育、穩定僅需2~3天的初生冰窗口期,此階段需要氣溫、風速、風向、降雪同某一個特定形狀和地形的湖泊等要素保持完全“配合”狀態,在自然界是人為難以掌控的,這也是冰球現象罕見的關鍵原因。



六、吉林生產的冰蛋盛宴

      吉林省并非首次發生冰球現象,2020—2021冬季近似于鵝蛋大小的冰球密密麻麻地排列在在查干湖西南沿岸,2021—2022冬季再次出現。相對于查干湖,四海湖的球狀特征更明顯,冰面平整光滑,整體地封存在冰面以下,直徑多為20~30 cm;而查干湖冰面凹凸不平,堆積在冰面之上。它們共同的特點是,冰球集聚分布兩個湖泊的小部分區域,并非全湖分布。


      盡管四海湖的冰蛋報道來源于2月,但理論上,它應該產生于初冰期,也就是去年11月中下旬期間。由于初冰期,冰的厚度較薄,存在冰上活動危險,因此沒被及時發現。由于四海湖面積小,目前沒有積累大量監測數據。查干湖是目前國內熱門的旅游景區,從冰對冰下生態環境影響角度,這些年積累了一定的現場實測資料。初步分析發現,查干湖2000—2022年各冬季初冰期的氣象條件和4個氣象中,除了負積溫、日平均氣溫比較容易符合,風速、風向和降雪條件很難同時滿足[1],說明發生冰球集聚的概率非常低。

七、奇妙的湖冰表面形態

      大自然中除冰蛋的湖冰表面特征以外還有多種神奇的景象,如冰裂縫、冰氣泡和餅狀冰等(部分圖片來源于網絡)??茖W的探索會逐漸揭開這些神奇現象的面紗,但大自然的奇妙之景依舊是YYDS,后續會有更多的自然現象得到科學解答。


本文來源: 解飛等. 神奇的球狀冰(冰球、冰蛋).湖泊科學


參考文獻:

[1] 解飛, 盧鵬, 程斌等. 神奇的球狀冰(冰球、冰蛋).湖泊科學, 2022, 34(2): 695-698. DOI10.18307/2022.0228.

[2] Case EC. A Peculiar formation ofshore ice. J. Glaciol, 1906, 14: 134-137.

[3] Loewe F. An observation of ball ice.J. Glaciol, 1949, 1(6): 340.

[4] Langlois TH. The waves of Lake Erieat South Bass Island. Ohio. J. Scil,1965, 65(6): 335-342.

[5] Eisen OJ, Freitag C, Haas W et al. Bowling mermaids; or, How do beach ice balls form? J. Glaciol, 2003, 49(167): 605-606.

[6] Kawamura T, Ozeki T, Wakabayashi H et al. Unique lake ice phenomena observed in Lake Inawashiro,Japan: Spray ice and ice balls. J.Glaciol, 2009, 55: 939-942.


 

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