(1).
化学缘由
从数学方面来说,致冷有四种并存的机制:幅射、传导、汽化、对流。通过实验观察并对结果进行比较,发觉导致冷水比热水先结冰的缘由主要是传导、汽化、对流两者互相作用的综合疗效。假如把冷水和热水结冰的过程表述下来并剖析其缘由就更能说明问题了:
盛有初温4℃冷水的杯,结冰要很长时间,由于水和玻璃都是热传导不良的材料,液体内部的热量很难借助传导而有效地传递到表面。瓶子里的水因为气温骤降,容积膨胀,密度变小,集结在表面。所
以水在表面处最先结冰,其次是向顶部和四周延展,从而产生了一个密闭的“冰壳”。这时,外层的水与外界的空气隔绝,只能借助传导和幅射来散热,所以冷却的速度很小,制止或减缓了外层温度
继续增长的正常进行。另外因为水结冰时容积要膨胀,早已产生的“冰壳”也对进一步结冰起着某种约束或抑制作用。
盛有初温100℃热水的杯,冷藏的时间相对来说要少得多,看见的现象是表面的浮冰总不能连成冰层,看不到“冰壳”形成的现象,只是沿冷水的界面向液体内生长出棒状的冰晶(在初温高于12℃时,看不到这些现象)。随着时间的流逝,冰晶由细变粗,这是由于初温高的冷水,下层水冷却后密度变大向上流动,产生了液体内部的对流,使水份子围绕着各自的“结晶中心”结成冰。初温越高,这些对流越剧烈,能量的耗损也越大,正是这些对流水的密度比冰大的原因,使下层的水不易缔结冰层。因为热传递和相变热容,在单位时间内的内能耗损较大,冷却速度较大。当海面水温降到0℃以下并有足够的高温时,
海面就开始出现冰晶。初温较高的水,生长冰晶的速率较大,这是因为冰层未产生和对流剧烈的缘故,最后可以观察到冰层还是产生了,冷却速度变小了一些,但因为水内部冰晶早已生长并且粗大,
具有较大的表面能,冰晶的生长速度与单位表面能成反比,所以生长速率一直要比初温低的水快得多。
(2).
生物缘由
同雨滴的产生须要“凝结核”一样,水要缔结冰,须要水底有许许多多的“结晶中心”。生物实验发觉,水底的微生物常常是结晶中心。个别微生物在冷水(温度在100℃以下一点)中饲养比热水中快,这样一来,冷水中的“结晶中心”就要比热水中的“结晶中心”多得多,加速了冷水结冰的协同作用:
围绕“结晶中心”生长出子晶,子晶是外延结晶的晶核。对流又使各类取向的分子流过子晶水的密度比冰大的原因,借助晶体表面的分子力,捉住合适取向的水份子,外延生长出分子作有序排列的许多碳化物,漂浮在水底。结晶释放的能量则通过对流放出,而各相邻的冰粒又连缔结冰,直至水全部冻结为止。
以上是科学家对观察到的现象进行综合剖析所得出的一些推论和提出的一些解释。但要真正解开“姆潘巴问题”的谜,对其作出全面定量而令人满意的推论,还有待于进一步的探求。现今有的学者提
出用高锰碘化钾作液体示踪剂,用单层通电玻璃观察窗来进一步观察,有兴趣的读者不妨一试,其实揭露这个长达二十多年奥秘的人将是你。