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自然解读:神奇的球状冰(冰蛋、冰球) 精选

已有 5610 次阅读 2022-2-25 14:06 |系统分类:科普集锦

自然解读:神奇的球状冰(冰球、冰蛋)


(冰蛋集聚在水滨之中是大自然难得的景象,但冰蛋的烹饪并不容易,尤其需要掌握精准的火候)


导语

你还记得元宵节出现在吉林洮南四海湖的“冰汤圆”吗?


2022215日央视新闻客户端发布《吉林洮南四海湖呈现“汤圆”湖面!网友:真应景!》,展示了四海湖国家湿地公园中成千上万的“冰汤圆”,可谓巧夺天工,蔚为壮观!

 

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在人们惊叹大自然的神奇、享受自然带来的乐趣时,脑子里也不禁冒出了一连串的问号,这些“冰汤圆”到底是什么?这是第一次出现吗?它有着怎样特殊的结构?是怎么形成的?......

近期,《湖泊科学》自然解读栏目发表的大连理工大学解飞博士和李志军教授撰写文章《神奇的球状冰(冰球、冰蛋球)》就解开了“冰汤圆”的谜底,请跟随我们来一探究竟吧!

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冰蛋的真实身份

球状冰常被称为冰球和冰蛋,实际在科学研究中通常用Ball iceSlush-ballsIce balls等词组作为英文描述。冰球实质上是由气象条件、水文条件和水滨地形等多种因素配合制造而成,简单说,需要“天时、地利”来“搓合”。冰球本质上依然是由水冻结而成的固体,只不过掺杂着雪、泥、石子等杂质。冰球集聚现象多在入冬时的湖岸、海岸或者河岸浅水区出现,直径变化范围一般为4~100 cm


冰蛋的历史身影

冰球早在19061月就现身于北美的密歇根湖(Lake Michigan[1]19482月,澳大利亚国家南极考察队的怀亚特·厄普号在南极海域(66°S152°E)也发现许多直径为25~50 cm的球体漂浮在海面,称为“Ball ice[2],证明了冰球在极地地区的存在;1964年冬季的南巴斯岛(South Bass Island)受风暴潮的影响岸边也出现过冰球现象[3]。根据更详细的报道,2003德国威瑟河(River Weser)河口观察到了500个大小近似于足球的冰球,单个质量为4.3~4.7 kg,成排排列[4]。国外见证者对冰球集聚现象的感觉皆为:“Peculiar”“Unique”“OMG”!

            

                

  

依次是:密歇根湖(19061) [1]     、South Bass 岛(1964) [3]   、Weser(20031) [4]


近年的冰蛋报道

随着全球信息化发展,近年来冰蛋的报道逐渐增加。根据俄罗斯卫星通讯社报道,201712月,俄罗斯西北海岸的芬兰湾出现了大小一致的冰蛋,直径超过10 cm201911月,位于波罗的海的海卢奥托岛(Hailuoto)沿岸布满了卵状的冰蛋,这也是该地区极为罕见的现象。202111月,来自不同社交媒体上的新闻显示加拿大马尼托巴湖(Lake Manitoba)同样被大量球状冰覆盖,小的如鸡蛋,大的如篮球。

            

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 依次是:芬兰湾(201712) 、Hailuoto 岛(201911)、Manitoba湖(202111)


冰蛋的“蛋黄”

在亚洲地区,日本猪苗代湖(Lake Inawashiro)通常在12月末到次年1月底会存在冰球,称为“Ice balls[5]。切片观察发现冰球的晶体结构由直径为1~2 mm的均匀粒状冰组成,晶粒似乎具有随机C-轴取向,却与一般热力学生长的粒状冰有区别,更接近含有雪粒经过水面动力扰动凝聚再冻结的S4型冰晶体。特别的,该地区还同时存在神奇的“喷雾冰”,spray ice            

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冰球的内部晶体                                  喷雾冰                                                     喷冰的内部晶体

 

冰蛋的“烹饪”流程

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菜谱:湖泊从开阔水域冻结出稳定的薄冰层,会经历初生冰、尼罗冰、板冰等多个阶段。而冰蛋的产生只能发生在初生冰阶段,并需要波浪作为推手。初生冰随短波起伏滚动,其滚圆程度和分布范围由波长和波高控制。起伏运动不断增大、冰蛋圆滑且密实,并顺风向运动到迎风一侧的岸滩搁浅或堆积。一般岸边水浅,滩涂温度低,当最前排的冰球搁浅到岸滩上,会和岸滩冻结在一起。后续的滚球在第一批滚球稳定之后,就在第一排之后成排依次集聚。至于堆积能否触底、能否数层,就完全决定于风速和持续时间。如果之后的风能够引起足够的增水,这些滚球就随水冻结。当增水超过滚球高度,看上去冰球就像冻结在水内。当然也就有部分被水淹没,冻结后的冰表面会存在不规则的凸起;或者没有淹没,成为岸滩上的雪球。


火候:制作冰蛋的“炊具”和“材料”都是常见的,最困难的是“火候”。首先需要一段时间的缓和低气温促进水温接近冰点,又不至于快速冻结成尼罗冰,给产生冰球提供一个时间窗口。其次,即便有产生大量冰球的初生冰体量,一般湖面冻结的往往不够,需要降雪提供外援,而在这个初生冰窗口期很遇上降雪的几率很低。再者,需要波浪将柔软初生冰逐渐“滚圆”,再通过风把滚圆的球推向迎风侧岸滩,这些都离不开风速和持续的定向风。此外,具体哪个湖泊哪一侧(或多侧)是浅滩,才可能容易让冰球搁浅、堆积取决于这个湖泊的形状和地形。但是要令冰球向浅滩方向运动集聚的持续定向风维持程度却因风的随机性而很难。总之,冰蛋从出现、发育、稳定仅需2~3天的初生冰窗口期,此阶段需要气温、风速、风向、降雪同某一个特定形状和地形的湖泊等要素保持完全“配合”状态,在自然界是人为难以掌控的,这也是冰球现象罕见的关键原因。


吉林生产的冰蛋盛宴

吉林省并非首次发生冰球现象,20202021冬季近似于鹅蛋大小的冰球密密麻麻地排列在在查干湖西南沿岸,2021-2022冬季再次出现。相对于查干湖,四海湖的球状特征更明显,冰面平整光滑,整体地封存在冰面以下,直径多为20~30 cm;而查干湖冰面凹凸不平,堆积在冰面之上。它们共同的特点是,冰球集聚分布两个湖泊的小部分区域,并非全湖分布。

 

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        (a) 查干湖 (202012)               (b) 查干湖 (20221)                  (c) 四海湖 (20222)


尽管四海湖的冰蛋报道来源于2月,但理论上,它应该产生于初冰期,也就是去年11月中下旬期间。由于初冰期,冰的厚度较薄,存在冰上活动危险,因此没被及时发现。由于四海湖面积小,目前没有积累大量监测数据。查干湖是目前国内热门的旅游景区,从冰对冰下生态环境影响角度,这些年积累了一定的现场实测资料。初步分析发现,查干湖20002022年各冬季初冰期的气象条件和4个气象中,除了负积温、日平均气温比较容易符合,风速、风向和降雪条件很难同时满足(表1),说明发生冰球集聚的概率非常低。

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奇妙的湖冰表面形态

大自然中除冰蛋的湖冰表面特征以外还有多种神奇的景象,如冰裂缝、冰气泡和冰状冰等。

科学的探索会逐渐揭开这些神奇现象的面纱,但大自然的奇妙之景依旧是YYDS,后续会有更多的自然现象得到科学解答。

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(a) 巨大冰裂缝                                 (b) 冰气泡                                     (c) 饼状冰

参考文献

[1] Case EF. A Peculiar formation of shore ice. J. Glaciol, 1906, 14: 134-137.

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

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

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

[5] 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.

 

 更多详细解读,参见: 解飞, 卢鹏, 程斌, 杨倩, 李志军. 神奇的球状冰(冰球、冰蛋)湖泊科学, 2022, 34(02): 695-698. DOI 10.18307/2022.0228.




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