综述
“北国风光,千里冰封,万里雪飘。”一提到“冰”,我们或许会想到冬日的银装素裹,或许也会想到夏日里享用的凉爽冰品。
我们都知道,“冰”其实就是水的一种状态,水蒸发会成为水蒸气,水凝固就会成为冰。在日常生活中,我们熟知的是当温度低于0℃时就可以滴水成冰,但其实水形成冰,不一定非要在温度0℃以下。
冰的固体稳定的分子结构其实就是水分子在特定的条件下按照一定的顺序紧密排列形成的,由此可见,水分子的排列顺序的不同以及排列紧密程度的不同决定着冰的形态的不同,所以冰其实不是只有一种形态的。
我们日常生活中看到的冰其实只是“冰家族”中的一员,叫冰ih,根据目前的科学发现,冰家族中一共有十八位成员,其中就有一种神奇的形态—7号冰。
有科学家推测这种神秘的7号冰只需一小块就可以冰冻住地球上的所有海洋,这种神秘的7号冰真的存在吗?其冰封地球的传言是真是假?
什么是7号冰
要了解7号冰,我们就必须先聊一聊水的三态变化。水的相位变化会受到温度和压强的影响,在相同的温度下,压强越高,水就越难以被气化。
我们都知道水是由水分子构成的,水分子是一种可以自由变化形状的,流动性很强的一种分子,而冰是一种固态.
固态就是分子原子牢牢的键合在一起的一种形态,固态物体中的分子结构不会轻易的发生位移,但是满足一定的条件,固态物体分子中的分子活性可以变弱,就发生了固态向液态的转移。
当温度升高,水分子具有的动能也会增高,我们都知道分子的动能由分子的质量和速度决定,当质量保持不变时,分子的动能越高,分子的活性就越大,分子越容易发生逃逸现象,这就是常温下水蒸发的原因。
当温度升高,接近于水的沸点时,水分子会大量的从水中逃逸而出,反映出来的现象就是我们熟知的沸腾。
但是水分子的逃逸行为是会受到压强的影响的,当我们向水分子施压时,可以阻止水分子的逃逸,也就是说压强升高,水分子逃逸的难度也会随之升高,此时水的沸点也会相应升高。
当水分子表面的压强足够大时,压强会将水分子紧紧的压缩起来,导致水分子能够活动的自由程度降低,相邻的水分子之间的距离变得紧密,水分子之间形成一种键和状态,水就变成了固态的冰,所以水形成冰其实不需要温度低于0℃,通过增加水的压强也是可以做到的。
通过观察水的三相变化,我们可以绘制出一张水的三相图,可以清楚的观察到水在不同温度不同压强下的相位变化,7号冰就是水的相位图中Ⅶ号区域的状态,也就是温度在四点九摄氏度左右,压强在21亿帕到620亿帕之间的状态。
7号冰真的存在吗
我们都知道大自然是一个神奇的宝库,只要科学上被证实的东西在自然界往往能够找得到。那么,7号冰有没有可能存在于正常的自然环境中呢?答案是不太可能。
7号冰形成的条件非常苛刻,要同时满足两个条件才行:一个条件是温度需要在4.9℃的常温中。
另一个条件则是需要环境压强达到就是30亿帕左右,就是大气压强的一万多倍,只有同时满足这两个条件才能诞生一块7号冰。
温度的条件很容易就可以满足,可是30亿帕超强的气压在自然界中几乎是不存在的,地球上绝大多数的海洋表面的压强只有1万帕,最深的海洋,马里亚纳海沟的最深处压强也只有1亿帕,与7号冰的形成条件相差甚多。
就在人们以为7号冰只是出现于一种理想中的状态时,2018年的3月,一位名叫Oliver特索纳的科学家在率领研究团队寻找天然钻石时,通过X射线的照射,无意中发现在一颗钻石内部竟然有7号冰的痕迹。
这一发现迅速引起了轰动。确实在地球深处的特定区域并不缺乏几十亿帕的压强,在这种超强的压强的影响下,这里的温度也是非常高的,于是在高温高压之下就形成了钻石。
而这颗发现7号冰的钻石很可能是在形成的过程中,水蒸气很巧合的被裹进了钻石内部。宝石通常具有一种特殊的能力,就是在形成后即使远离高压条件,内部的压强也能够保持其形成时的压强。
这个时候7号冰形成的两个条件均被满足,于是包裹在钻石内部的水,就形成了7号冰。在这样一种机缘巧合的情况下,天然环境中的7号冰被发现了。
有人就会问了,钻石的形成过程可以符合7号冰的形成条件,那为什么直到2018年才发现了7号冰呢?钻石是碳元素在地表深处超高压超高温的状态下形成的一种碳单质晶体,而发现的这块钻石也不同于常规钻石,它存在于地壳下400~600公里的地幔中。
因为这个过程我们看来好像并不复杂,但是实际上在钻石形成的过程中,水蒸气进入晶体的内部是需要合适的时机的,即使水蒸气顺利进入钻石内部,之后随地质活动的时间过于长,钻石内部的超强压力环境会慢慢消失,七号冰也就不能形成了。
所以,在2018年发现的这块自然界中的7号冰是有多么难得,它很有可能在未来的很长一段时间内是唯一存在的一小块天然发现的7号冰。
人类可以制作七号冰吗
按照目前的科技水平,即使是在特定的实验室环境中,形成7号冰也是相当困难的。就算可以制造满足7号冰的压强条件,想要形成稳定的7号冰也是不可能的。
但是科学在进步,人类在进步,我们想要真正的了解7号冰,光依靠大自然显然是不行的,期望未来通过科技可以实现。
科学家在钻石内发现自然状态下的7号冰,这一伟大发现为实验室制造7号冰提供了一个很好的思路。
要知道,我们现在掌握了人造钻石的技术,虽然还不是很发达,但随着科技的快速发展,人类自己制造钻石的技术会越来越趋于成熟,到那时我们就可以在钻石制造的过程中,将水蒸气放入钻石内部,从而制造7号冰。
而且通过科学家们的推测,7号兵所需要的超强压强的条件,在行星相互撞击的时候,也是有可能产生的。
行星撞击会产生巨大压力的冲击波,这个过程很可能会有7号冰的形成。地球的环境确实很难满足7号冰的形成条件,但地球之外呢?
地球之外还有广袤的未知的宇宙空间,就有科学家认为,土卫六泰坦以及绝大多数由水组成的系外行星的海底很有可能是存在7号冰的。人类也可以通过探索太空中的未知区域去探索7号冰的存在。
7号冰的威力能否冰冻地球
如果我们假设所有条件都满足7号冰的形成条件,7号冰形成后会展现出怎样的威力呢?七号冰凭借其独特的分子结构,拥有很强的分子聚集力,它很有可能会很快聚集大概100个以上水分子,然后以每小时1600千米的速度疯狂增长。
也就是说7号兵可以每小时1600米的速度冰冻他所在的区域。这个速度,确实能够在几个小时就叫地球上的全部海水完全冻结。也就是说,理论上如果人类真的能够成功的制造并使用7号冰,真的有可能通过使用7号冰将地球冻成一个冰球。
但很遗憾,理论与实际终究还是有一定的差距,将一块7号冰投入大海,整片大海都会被冻结的情况是不可能的。
我们前文说到过,即使最深的海湾压强也只有1亿帕。7号冰自身在常压状态下并不能够稳定持续的存在,如果想在常温或常压下去试着掌控1块7号冰,你必须给他施加至少2万倍标准的大气压才行。
而且当温度上升到接近于1000℃左右时,7号冰会因为临界高温强制被融化为液态水。因此如果真的有1块7号冰被投入大海,它是可以冻结它周围的一小部分区域的,但是随着压强的迅速变化,7号冰的稳定形态不能被持续的维持,他就会被液化成水,化为整片汪洋大海中的沧海一粟。
那么利用7号冰去实现大面积水域的冰冻就完全不可能了吗?其实也是可能的,那就需要在极短的时间内向一片水中投入大量的7号冰,并且需要源源不断的补充投入7号冰,直到压强下降的时间差被补足。
但是就像我们前面所说的,自然界中的7号冰非常非常的罕见,人类制造7号冰的过程也是“难于上青天”,更不要提获得大量的七号冰并保存了,所以说7号冰冰冻地球的传言在理论上可以成立,但实际就是天方夜谭了。
后记
最后用著名天文学家卡尔·萨根的一段话结束吧:“智慧产生于我们对自身局限性的了解,这正是我们应该需要去抱有严谨且充满怀疑精神的科学逻辑性原因。”