水面先結冰的現象

為甚麼湖水結冰總是從湖面開始的呢？這種現象對魚類有甚麼影響呢？ (節錄自 香港中文大學 物理園 撰文：林俊雄)

水的密度會隨著水溫而改變。當水溫在 3.98℃ 時水的密度是最高的，所以 3.98℃ 的水份子較其他溫度的水份子較容易下沉。
先從水溫高於 3.98℃ 的情況說起。看看圖一，湖的表面水溫是 20℃，氣溫較水溫低了 5 度，即 15℃。部份在湖表面的水份子的熱能會流向較低溫的空氣，結果水份子的溫度下降了，而密度卻增加了，所以這些水份子會向下沉，而水面下較高溫的水，因為密度較低而逐漸往上升，形成對流，整個湖的水遂漸冷卻。
再看看水溫低於 3.98℃ 的情況 (圖二)。因為較低溫的水密度較低，所以這些水份子會浮在水面﹔相反，愈接近 3.98℃ 的水份子卻因密度高而下沉。當水溫低於 0℃ 時，在湖面較低溫的水會先凝結成冰，然後向湖底漫延。但是因為熱量以傳導的方式傳遞，所以降溫的速度很慢。冰底下的水溫一般維持在 3.98℃，魚類還能生存。要是水沒有如此奇特的性質–例如我們可以想像結冰由水底開始–則對流便會使結冰的速率增加，經過一次嚴冬後，恐怕河裡及湖裡的魚和其他生物都會死光了。

水凍結成冰的過程：

• 室溫下的水置入冷凍室後開始降溫，在水溫高於 4℃時，水會熱脹冷縮，冷水下沉熱水上升形成對流，一直到全部的水都達到 4℃的同溫狀態。
• 4 ℃的水密度最大。低於此溫度，水的物理性質變為熱縮冷脹。低溫膨脹後不再下沉對流，而維持在表面繼續降溫，然後開始結冰。
• 底部的水維持在4 ℃，直到由上而下逐漸凍結。冰的體積跟水比較約增加 9%。
• 一旦表面結冰，則冰面下的空氣沒有逸出的管道，會逐漸集中在最後凍結的部份，形成白冰。

啟發構想： 設法防止水面結冰，讓凍結過程由容器底面及側邊向上發展。

• 擾動水面
• 水面隔熱，容器則使用金屬材質增加散熱。