知乎日报: 在雪地行走脚下会有「吱吱」声，是雪被踩疼了吗？

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在雪地行走脚下会有「吱吱」声，是雪被踩疼了吗？ Dec 13th 2018, 02:07 把科学带回家，给孩子最好的科学教育 在雪地上的走的时候，雪有时会发出吱吱的声音。这是怎么啦，是雪被踩疼了吗？可是为什么有的雪被踩了以后没有吱吱嘎嘎的声音呢？ 虽然下雪的过程已经被科学家们研究得透透的了，但是雪被踩了以后为什么会发出嘎吱嘎吱的声音，真倒还没有很多人研究过。 雪是过冷水滴（温度低于冰点但还没有结晶的水）遇到空中悬浮的灰尘微粒后凝结而成的。雪片从天而降的过程中，有时还会遇到一些过冷水滴，然后它们就会抱在一起变成很结实的小雪球，叫做霰（xiàn，graupel）。 ▲ 霰（左）和冰雹（右） 踩在这类很结实的雪上面以后，被踩的霰就会发出吱吱嘎嘎的怪叫，好像踩到了它们的尾巴一样。 有一些雪松松垮垮的，踩在这种雪上面，它们就会发出梭梭的声音，很好听。 那么，雪被踩了以后发出的声音到底是什么产生的呢？现在的解释主要分成两类。 雪被冻得"牙齿"打架 有人认为，雪发出的吱吱声是雪粒之间摩擦，或者雪和鞋子摩擦发出的声音。而且雪能不能发出摩擦声，和温度有很大的关系，只有非常冷的雪才能发出吱吱声。 也就是说，雪发出的吱吱声是它们"冻得牙齿打架"的声音。 这派解释把雪的声音和温度联系了起来。 物理学家法拉第（Michael Faraday）发现，冰晶总是被一层水（准液体层，quasi-liquid layer）包围着，而这层水的厚度和温度有关。 零下 10 摄氏度以下时，这层水就只有一个水分子那么厚；在零下 1 摄氏度的时候，这层水有好几百个水分子那么厚。 ▲ 云南梅里雪山（左）的上的高达 4 米的齿列冰锥（右）（penitent）就是复冰现象产生的。在湿度为 70%，温度在零下 10-20 摄氏度的高海拔地区，齿列冰锥比较常见。 另外，当受到很大的压强的时候，冰的融点会下降，因此冰就会融化；压强减小后又会重新结冰，这就叫做复冰现象（regelation）。 因此有人提出，如果雪的温度在零下 10 摄氏度以上，此时如果去踩雪，一些雪在你的吨位产生的巨大压强下就会软化变成一滩水。这些水就像润滑剂一样，可以减小摩擦，因此这样的雪就不会发出吱吱声。 如果冰的温度低于零下 10 摄氏度，就算你是一只踩着高跟鞋的小猪，你的鞋跟产生的压强也并不足以使冰融化，雪还是一粒一粒的冰晶。所以被踩了以后，固体状的冰就像沙粒一样会相互摩擦发声，或者和你的鞋子摩擦发声。 不过这个解释的一个大毛病在于，有人计算过，在一般的环境中，即使穿着带冰刀的溜冰鞋，人的体重在冰刀上产生的压强也不足以使冰融化。 所以究竟人能不能把雪踩成水，是不是含水量大的雪就不容易发出吱吱声，现在谁也不能确定。 雪的脖子断掉了 麻省理工学院的材料科学家 W. Craig Carter 认为，雪被踩了以后发出的声音是雪的"脖子"断掉的声音。 这里说的雪的"脖子"就是冰的晶体之间的键，吱吱声就是雪片之间的键断裂的声音。 新下的干干的雪片之间的距离比较大，相互之间结合得并不紧密，键不多。这样的雪踩起来，是"夫夫"声，而不是吱吱声。 几个小时后，新雪在自身重力的作用下碎掉垮塌，然后又重新结合起来，形成了更多的键。因此蓬蓬的新雪变成了更加密实的老雪，老雪不容易因为自身重力继续垮塌。 从新雪变成老雪的过程叫做"烧结"（sinter），经过了烧结的老雪被你的体重压爆了以后，许多键被踩断了，因此才会发出叽叽声。 在 Carter 看来，雪被踩出吱吱声和瓷器碎掉时发出的"哗啦"声是一回事。实际上，瓷器就是通过烧结产生的，粘土分子在高温下形成了新的键，变得更加密实牢固，因此打破瓷器时断裂的分子键也会发出声音。 这种解释听起来挺有道理的，因为在踩雪的时候，上面一层松松的雪会发出沙沙的声音，但是踩到底下比较硬的雪的时候就会发出吱吱的声音。嚼冰的时候也会发出吱吱声。现在就差一个实验来证明这个假说了。 图片来源：Phys.org, SNJ Today, giphy J. Corripio, Spiked ice, 2001, Edinburgh, Scotland. V. Bergeron, C. Berger, and M. Betterton, Controlled Irradiative Formation of Penitentes. Phys. Rev. Lett., 2006. 96(9). 参考资料： Humphreys, W. J. (1920). Physics of the Air. Franklin Institute of the state of Pennsylvania. https://www.scientificamerican.com/article/why-does-snow-squeak-when-stepped-on/ http://blog.sciencegeekgirl.com/2008/12/29/why-does-snow-crunch-under-your-feet/ https://arxiv.org/pdf/1501.06981.pdf https://nsidc.org/cryosphere/snow/science/characteristics.html http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ed049p179.1 阅读原文

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