闢謠:7號冰一旦出現,它將以超音速凍結地球,這是真的…


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闢謠:7號冰一旦出現,它將以超音速凍結地球,這是真的嗎?

前段時間網上突然出現了很多關於“冰7”的文章,基本就是以這種風格出現的“科學家發現“7號冰”,數小時便可冰凍全球”,或者““7號冰”是什麼?它可以快速將海洋凍結!威力大到可以毀滅地球”,以這些聳人聽聞的標題出現,實在有些可怕,這冰七到底是什麼,威力真那麼大的嗎?

水的19種形態

固、液、氣三態是最常見的三種形態,很多物質我們在日常中僅能見到單一形態,各種金屬大部分時候只能見到其固體形態,而柴油汽油則只能見到其液態,但水不一樣,自然界的水就有冰、水和水蒸氣三種形態。

當然各位肯定也知道,除了固液氣三態外,還有等離子態,和玻色—愛因斯坦凝聚態、費米子凝聚態等等,當然我們今天不討論這些極端狀態,而是討論水變成“冰”以後的各種狀態,因為水在不同的條件下,它能結成不同的“冰”!

常見的冰就是凍結成固態的水,但從水變成冰的過程卻非常複雜,因為有冰核和無冰核的結冰過程完全不同,比如靜止的純水可以可以在過冷40℃不結冰,而我們熟悉的0℃就結冰就是有冰核結冰。

不同尺寸納米顆粒的冰成核溫度

溫度降低時,水分子的運動速率下降,分子間的距離也開始縮小,當其運動狀態無法破壞氫鍵時,它就會把水分子連接起來形成有規則的空間結構,在一個晶格中,四個氫原子在正四面體的頂點上,一個氧原子位於四面體的中心,分子間隙會比水水略大,並且保持固定,此時就形成了冰!

因此從水到冰的過程是水的體積或逐漸縮小,然後變成冰時的規律分子結構(氫鍵的影響超過了分子間的范德華力,水分子固體填充時不緻密)又會讓其略微膨脹,這就是冰體積比水大的原因。

氫鍵

水只有在4℃時體積才是最小的,結冰時候體積會膨脹7%,水的這個特性也是地區上存在生命的基礎,因為絕大部分的物質變成固體時密度都比液體時要大,假如冰也這樣,那麼結冰後的冰塊都沉入水底,整個地球都會逐漸結成大冰塊。

幸虧水冰會浮起來

冰的形態

水和冰的物理性質差異,是由氧原子和相鄰氫原子之間所形成的氫鍵來控制的,雖然氫鍵屬於弱鍵,但對水和冰的結構有重要影響。冰表面上看起來很簡單,但其實它的結構可以非常複雜,比如六面冰晶中只有水分子中的氧原子形成了六邊形,而它們的氫原子卻在周圍隨機排列,而這種無序冰的特性之一是它們可以在壓力下變形。

冰10壓力逐漸升高的結構模型

這就是不同冰種類之間的差異,在多種態中氫原子也可以有自己的晶體形態,一般被稱為氫有序冰。 2021年2月18日,Thomas Loerting和他的同事在《自然-通訊》雜誌上發表了一篇闡述冰的第十九種形態的論文,這是一種罕見的四面晶體,被稱為冰19 。

這是冰VI的模型,紅色和藍色的大球體代表氧原子,而小的球體則代表氫原子

冰19是從無序冰的H階形態冰6(高壓下即可形成冰6)變成有序態的冰15,然後再通過降溫到-170℃、加壓2000兆帕變成冰19。

傳說中的末日武器冰七是怎麼來的?

普通的冰就是冰1,在14個大氣壓下就會形成冰二,大約在1000兆帕時則會形成冰7,在地下160千米處就可能存在自然形態的冰7!

在100MPa~10GPa(1000-100000大氣壓)的區域,水是可以直接通過加壓變為固體

比如2018年,美國內華達大學團隊以X射線照射鑽石時,發現其中一顆鑽石含有冰7,而鑽石就像微型壓力室包裹著冰7。

冰七的晶體結構

冰七真的能瞬間冰凍地球嗎?

冰七的形成條件是溫度處於4.9℃,10000個大氣壓時,7號冰就開始慢慢形成,首先是聚集成100多個分子,然後變回開始以444米/秒的速度形成7號冰,其速度遠超音速,因因此它將在數小時內讓全球海洋結冰!

因此很多作者都以超音速凍結地球的恐怖標題,以販賣焦慮的方式吸引讀者,但事實上行假如讓整個地球處在這個狀態下,那麼還真有可能出現這種極端狀態,只是問題是在上萬個大氣壓下,地球什麼都毀滅了,我們還擔心地球是不是要被超音速凍結?

所以這根本就是一個偽命題,而局部的高壓出現冰七並不會出現蔓延,僅僅是滿足條件部分變成冰七。

海王星

一個事實是在太陽系中可能就存在這樣的條件,比如在太陽系內海王星內部某處有可能會存在這樣的形態。

海王星內核與外部之間可能存在冰七

另外在格利澤436b(類海王星天體)和GJ 1214 b(距離太陽系40光年的海洋星,表面看不到陸地)的海洋底部也有可能存在冰七。

GJ 1214 b(中)與地球(左)和海王星(右)大小比較

因此冰七作為冰的一種形態,它只是在特殊條件下才能存在,無法毀滅世界,它存在的意義只是讓人類了解到了冰這種看起來極其普通的物質仍然有我們難以理解之處,自然界的奇妙無以言表。