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深海给人的印象,总是又黑又冷,冷到让人觉得那地方的水随时会冻成冰。可奇怪的是,哪怕到了万米深的海沟底下,海水照样是流动的液体,一点要结冰的意思都没有。
这就有点反常识了,温度明明低到接近冰点,为什么海水能万年不冻?有人把功劳算在压力头上,说水越深压力越大,是压力把冰给压化了。这话只说对了一半,真要把道理讲透,得先潜到海底去看看。
其实水压这东西,游过泳的人都体会过。往深里扎个两三米,耳朵就开始发闷发疼,那就是水压在往鼓膜上使劲。大致每往下10米,就多出差不多1个大气压。
海面的人常年只扛着1个大气压浑然不觉,可对深海来说,这只是个零头。顺着这个节奏一路沉到11公里,压力就滚雪球似的攒到了上千倍,也难怪深海被形容成压力的世界。
地球上最深的地方,是太平洋里的马里亚纳海沟,最深处的挑战者深渊大约有11公里深,把整座珠穆朗玛峰塞进去都冒不出头。
这么厚的一层水压在头顶,分量相当惊人。海沟底部的水压大约是1086巴,相当于海平面大气压的1000倍还多,差不多每平方厘米要扛上一吨多重的力。
普通潜艇要是扛不住,到这深度直接能被捏扁。更让人意外的是,这么恶劣的地方并不是死寂一片。
漆黑的海底照样有鱼虾和微生物活动,它们身体内外压力平衡,并不会被压扁,照样觅食、繁衍。可见生命适应环境的本事有多强,也说明压力在深海是个常态,而不是什么稀罕的破坏力。
那这么大的压力,到底能不能把冰压化?答案是能,而且这跟水的怪脾气有关。绝大多数物质都是越压越容易变成固体,偏偏水反着来。
冰的结构比液态水更松散,密度反而更小,一加压,松散的冰架不住,就会化成水。粗略算下来,每增加1个大气压,冰的熔点大约往下掉0.0074℃。压力越大,冰能扛住的温度就越低。
这就得说到冰和水的密度关系了。水结冰的时候,分子会搭成一种带孔洞的规则架子,占的地方反而比液态时大,所以冰比水轻,能浮在水面上。
加压等于从外面硬挤,先撑不住的就是这种松散的架子,它一垮,冰就退回成液态。这也是水跟大多数物质拧着来的地方。
按这个规律推,500个大气压足以把冰压到零下4℃才化,到了马里亚纳海沟那种1000个大气压的环境,冰哪怕冷到零下9℃照样能被压成液态。
这是就淡水而言。听上去压力确实像个融冰高手,可现实里还有个更直观的小实验,能把这事儿演给你看。
找一根细金属丝,两端挂上重物,搭在一块冰上。金属丝压到的那一小条,因为压强特别大,熔点被压低,冰就化成了水,金属丝于是一点点往下陷。
可等它穿过去,刚才化出来的水周围还是0℃以下,又马上重新冻成冰。最后金属丝整个穿过冰块,冰块却完好无损,连道缝都不留,这个现象叫复冰,说的就是压力融冰、撤压又冻回去。
说到这儿,可能有人会想起滑冰。冰刀那么窄,人整个重量压上去,接触点压强巨大,老说法就讲,是冰刀压出一层水膜当润滑,所以冰面才那么滑。
这套解释流传甚广,可后来一算账发现不对,冰刀那点压强顶多让熔点降零点几度,根本不够在很冷的天融冰。冰面滑,主要靠的是摩擦生热和冰本身表面就有一层似液非液的膜,压力只是个配角。
要把这些温度和压力的关系理清楚,得请出一张水的相图。横轴是压力,纵轴是温度,水在不同条件下该是固态、液态还是气态,图上划得明明白白。
其中有个特别的点,叫三相点,温度定在0.01℃,压力约611帕,在这个点上,冰、水、水蒸气三者能同时共存,谁也不吞掉谁。它是理解水各种怪脾气的基准坐标。
不过前面算的那些压力融冰,都是拿淡水说事儿。一旦换成又咸又涩的海水,局面整个变了。淡水在0℃结冰,可海水里溶着大量盐分,冰点被硬生生往下拽。
普通海水大概要冷到零下1.8℃才开始结冰,具体多少还得看盐度,盐越浓,需要的温度越低。而且海水里的盐不是一星半点。
大洋彼此连通,盐分被河流不断带进海里,又随着蒸发留在水中,日积月累就有了今天的咸度。正是这些四处游荡的盐,把海水的冰点稳稳按在0℃以下,让它没那么容易冻上。
盐在这里扮演的角色,就是个天然抗冻剂。道理并不神秘,水里只要溶进别的东西,不管是盐、糖还是酒精,都会插在水分子中间,碍手碍脚,让水分子很难凑到一起排成冰的晶体。
想把它们规整地冻起来,就得再降点温。这跟冬天下雪后往路面撒盐防结冰,是一模一样的原理,盐便宜又好用,全世界都这么干。
压力和盐还会叠加。海面的盐水大约零下2℃才冻,到了500个大气压,要到零下6℃才冻,马里亚纳海沟底部,盐水理论上得冷到零下11℃才肯结冰。可这些都是理论门槛,真实的深海压根没冷到那个份上。
真要说海水结冰,那也只发生在两极那种极寒地带。可即便那里冻起来,结成的冰也几乎是淡水,盐被赶到了冰外的水里。
这从侧面说明,盐和冰天生就不太愿意待在一块儿,想让海水结冰,本来就比让淡水结冰难得多。
受洋流、盐度、温度和对流的影响,再加上海水结冰时盐会被排挤出来,深海的水常年维持在0到4℃,很少比零下2℃更冷。
这个温度区间,光靠盐就足够让水稳稳保持液态了,根本轮不到压力出手。换句话说,压力确实有融冰的本事,可在海洋里它压根没机会上场,真正的功臣是盐和一刻不停流动的海水。
这个温度其实跟家里冰箱的冷藏室差不多,谈不上极端严寒。冰箱里的东西不结冰,靠的就是没冷到0℃以下,深海同理,它本来就停在冰点之上。
再加上盐把门槛往下挪,结冰这件事就更无从谈起。很多人以为深海冷得刺骨就该冻住,是把温度低和能结冰混为一谈,这中间还隔着盐度这道坎。
再往深想一层,海水还一直在动。冷而咸的水密度大,会往下沉,别处的水补上来,形成遍布全球的温盐环流,把热量和水体不断搬运、交换。
水是活水,不是闷在原地的一潭死水,自然更难冻成一块。要是哪天海水真静止了、盐也没了,那才轮到压力来撑场面,可惜那种情况不会出现。
把整条线串起来就清楚了。压力融冰是真的,可它需要极冷的条件才显身手;深海的实际温度没那么低,盐又先一步把冰点拉了下去,再加洋流不停搅动,海水始终保持液态。这不是单一因素的功劳,而是盐和流动联手把压力晾在了一边。
也正因为如此,这个问题的答案才那么干脆。压力融冰在实验室里反复验证过,是板上钉钉的物理规律,可规律归规律,现实的海洋没给它表演的舞台。
判断一件事的真正原因,不能只看谁有能力,还得看谁真的起了作用,这正是这道题最容易把人绕进去的地方。
回到最初的问题,压力是不是深海不结冰的原因?答案很干脆,不是。它有这个能力,却没有这个机会。
真正让海水在接近冰点时依然奔流不息的,是溶在水里的盐把冰点压低,再加上永不停歇的洋流把水体搅活。把这两位的功劳记清楚,这桩深海的怪事也就不怪了。