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为何桥面下方的河水不易结冰? 精选

已有 16130 次阅读 2011-2-23 11:09 |个人分类:科学视角|系统分类:科普集锦| 辐射, 流水, 结冰

   为什么桥面下方的河水不易结冰?这个问题困扰了我好几年了。因为我自己是南方人,南方河水从不结冰,所以以前一直没有遇到过这个问题。后来去到北京求学,才发现这样一个问题。
   下面是我去年年底在天津天塔上拍下的卫津河的图片,请仔细看河面,桥面附近的河水都是没有结冰的,而其他部分的河水都是结冰的。
  另外,根据我的观察,还有一个很重要的现象,就是对于完全封冻的河面,如果天气变暖的话,也是桥面下方的冰先融化。可以看到桥面下方的冰开始在融化出水的时候,其他地方的河面还是干干的冰。这个现象很重要,后面我会谈到它的重要性。
 
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  为了解释这个现象,我先搜索了很多网上的观点,也恰好最近科学网上讨论流水不容易结冰的问题,所以我先把一些解释列举一下,然后再提出自己的观点。
 
1、网上有人认为空气在桥面下流动会比别处快,这样摩擦生热导致河水不易结冰。这个观点完全是似是而非的观点,吕喆先生的博文【1】里已经解释的很清楚了,风速越大带走的热量也越多,应该使得结冰速度越快才对。
 
2、网上有人说桥下由于桥墩等原因,使得流水的截面积减小,所以流速会增大,水的流速越快也就越难结冰。根据我的观察,不论有没有桥墩,即便桥下流水面积没有改变,桥下的河水依然结冰比较困难。所以这个说法不能完全解释这个问题。
 
3、根据mirror先生的说法【2】,“水一流起来,单位时间内通过单位区域的物质量就多,热容量也就要变大。而这个单位区域里大气的冷却能力却是不变的。因此流水就要比静水难降温,因此也就比静水难结冰”这个理论也无法解释我们关注的问题。因为对于一条河来说,各处的流量应该是大致相等的,不论是不是在桥下,流量都是一样的。所以这个理论也对我们关心的问题没有帮助。
 
4、根据吕喆先生的说法【1】,结冰与非还要考虑凝结核的问题。其实小弟认为河水根本不需要考虑凝结核,只有纯水才需要考虑这个问题。河水里有很多微生物、藻类、灰尘、颗粒,这些都可以作为凝结核,河水不会缺乏凝结核的。
 
5、根据吕喆先生的另一篇博文【3】,在流动的水里冰晶难以碰撞凝集成大的冰块。其实对于桥面下河水为什么不易结冰的问题,并不在于流动。为什么这么说呢,原因就在于我上面提到的第二个观察,对于完全封冻的河面,完全没有流动的问题,如果天气变暖的话,也是桥面下方的冰先融化。
 
6、麻庭光先生提到了辐射的问题【4】。我个人认为辐射是解决本问题的关键,但是麻先生的论述是值得商榷的。麻先生说:“地表水源会结冰,因为宇宙的背景温度只有3-5K-270C),而地表结冰温度在273K 这种大温差的辐射换热损失,是结冰的关键”我们做一个假想,就能够看出这句话的问题了。假设在无云无风的夜晚,人体的温度差不多是恒定的,宇宙背景温度也是恒定的,按照麻先生的逻辑,不论夏天还是冬天,人光着膀子站在户外丢失的热量也是一样的!!!
 
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下面是个人一点点愚见,请大家尽量拍砖!
如图所示,在白天的时候,如果没有桥,阳光照射到冰面上,冰面镜面反射掉大部分能量(白色只吸收阳光的能量很小一部分)。相反的,阳光照射到桥上,桥面吸收阳光能量,使得桥面温度升高,桥通过热辐射的方式把从阳光中吸收到的能量传递给冰面(水分子吸收微波)。
 
在夜晚的时候,没有桥面的河水或者冰面直接将能量通过热辐射释放出去了。而此时桥面实际上起了一个温室效应,河水虽然释放热辐射,但是一部分被桥面所吸收,而桥所释放的热辐射也会部分被河水吸收。
 
因此,桥下的河水不容易结冰,而在桥下的冰也会先融化。
 
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参考


http://blog.sciencenet.cn/blog-84519-415732.html

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