瀑布是怎么结冰的

    尼亚加拉瀑布位于加拿大安大略省与美国纽约州北部的边界处，它由三个独立的部分——马蹄瀑布、美利坚瀑布和新娘面纱瀑布组合而成，其中最高的马蹄瀑布有51米的落差。这里“飞流直下三千尺”的壮观景象一直吸引着世界各地的游客，尤其到了冬天，当尼亚加拉河流域的温度降到-20℃以下时，三条瀑布无一例外地冻结起来。然而，尼亚加拉瀑布并没有完全冻结，在冬季，每分钟都会有8500万升水从瀑布倾泻而下，将这样的激流完全冻结起来几乎是不可能的。

    2018年的寒冬，美国北卡罗拉纳大学的物理学家勘察了当地一座20米的瀑布，这条瀑布大部分（包括底部）都结冰了，反而在冰面上还有一条涓涓流过的小溪。当时的温度已经低至-15℃，远远低于水的凝固点，所以，小溪中的水已经是过冷水（0℃以下仍不结冰的液态水）。即使是过冷水也不能长期保持液态，它们在流速降下来时也会慢慢结冰，或者形成一团细小的针状晶体——物理学家称之为“软冰”。

    为何瀑布结冰会有如此不同的形态？水结冰需要两个条件，一个是低温，另一个是凝结核。在静水中，温度低至0℃时，如果水中存在凝结核，水就会慢慢在凝结核周围结晶成冰，结冰过程正是从凝结核开始扩散到整个水域。

    但是，如果水流动起来，造成的扰动就会对凝结核所起的“聚集”作用造成一定的破坏，从而使冰冻过程变得困难。水流的流量越大、速度越快，其冻结的可能性就越小。尼亚加拉瀑布虽然位于寒冷的高纬度地区，但水流太大，顶多只会表面结冰；小瀑布由于水流规模适中，可以大部分结冰，但由于凝结核的数量不够，表面还剩下一条由过冷水组成的小溪；大多数瀑布中的岩石，在温度和湿度适宜的时候可以充当类似于水中凝结核的作用，帮助冰块长大，形成冰柱。

    只有在瀑布的水源也被完全冻住的时候，整条瀑布才是完全冻结的，但这种情况只可能在一些水流缓慢的、极小型的瀑布中出现。

    （《科学之谜》2022年第37期 刘琼山)