Nature | 理解冰和雪的十个关键问题

冰对气候、地质和生命都至关重要。理解冰的行为对预测我们星球的未来和揭示宇宙中生命的起源都是必不可少的。水冰覆盖着我们太阳系中的行星、卫星和彗星。在地球上，白色的极地冰盖可以反射高达 90% 的太阳入射辐射。平均而言， 7% 的海洋表面被冰覆盖；海冰改变洋流并限制了与海水的气体交换。冰和雪永久覆盖着 10% 的陆地，在 冬季 时节可覆盖北半球多达一半的面积。这些冰冻水的覆盖层为地面和海洋提供了隔热作用。

阿根廷西南部佩里托莫雷诺冰川，这是南美洲大冰原的一部分。图片来源： VISUALS UNLIMITED/NATUREPL.COM

冰云会浓缩空气中的化学物质，是大气化学反应的场所 。在极地上空，冰晶云是臭氧消耗反应的发生地，在高纬度地区形成平流层臭氧空洞，使数百万人暴露在增强的紫外线辐射下。地面积雪中的化学反应可以产生臭氧和其他环境污染物。 有机毒素和汞在雪中积累 ，当雪融化时会释放到河流和海洋中，进入食物链。

然而，这些过程背后的 分子机制 在很大程度上仍然未知。如果不了解化学反应在冰和雪中如何进行，以及它们在晶粒和晶体结构中的具体位置，就不可能建立足够可靠的大气和气候模型中的雪或冰云模块，也无法将实验室研究可靠地推广到环境条件下。

我认为，如果要解决我们面临的巨大环境问题，需要在分子尺度上更多地研究冰的化学和物理特性。计算机模拟的最新进展以及实验技术（如表面敏感光谱）的发展，现在可以在与环境中的冰相关的温度和压力下操作，为未来令人兴奋的研究打开了大门。在此，总结了关于冰的十个开放性 关键 问题。

十个 关键 问题

1 冰是如何形成的？ 关于水何时以及如何结冰，许多问题仍然不清楚，尽管这对理解地球的气候和水循环至关重要。我们无法确切预测大气中的冰云何时何地形成；当我们预期会结冰时，天空的某些区域仍然保持潮湿。水滴是先从表面开始结冰还是从内部开始结晶？它们会形成哪种形态的冰？

冰经常容易在固体表面形成。要理解这种现象的原因，需要研究水分子与这些表面相互作用的分子基础。

2 冰的结构如何变化？ 冰晶由水分子通过氢键以规则四面体排列方式结合而成。已知水有多种晶体结构， 最熟悉的是形成雪花的六角冰 。随着压力和温度的变化，水分子调整其排列以最小化能量，产生不同相态的冰。

这些相变在宏观上已经得到很好的理解。接下来，我们需要能够在计算机模拟或量子化学计算中重现整个温度和压力范围内的这些相变的分子过程。有了这些优化模型，我们就可能解决其他问题，如表面结构以及杂质如何在冰中发生反应。

3 冰 的不同 结构如何表现？ 除了有序晶体外，冰还有非晶态和 " 亚稳态 " 形式 —— 这些分子排列是长期存在的，但并非处于最低能量状态。这种结构的多样性扩大了冰晶形成的可能性、冰云的化学反应性、杂质在彗星中的捕获方式以及太空中冰体的机械强度。然而， 我们对这些冰的结构方式、是否与晶态冰混合以及它们在哪里出现知之甚少 。

非晶态冰 —— 分子结构呈松散的四面体但整体上不是晶态的 —— 可能在水在极低温度下凝结时在彗星上形成。亚稳态立方冰比六角排列更容易成核，可以在冰云中形成。研究这些相态很棘手，因为它们难以接触且在光学上难以区分。在实验室中， X 射线和中子衍射研究可能是解决方案 。

4 冰的表面结构是什么？ 分子有序性在晶体表面会被破坏。暴露在空气中的氢键也会与甲醇、丙酮、硝酸和盐酸等污染物结合。由此产生的水分子网络是不规则的，难以描述，特别是在温暖且接近其熔点的冰中，此时无序性会深入晶体内部。

我们需要了解这一层的最基本特性，如其分子结构以及随温度变化的方式。而且该层在容纳杂质和化学反应中的作用尚不清楚。能够在接近环境压力下探测水分子键合网络的表面敏感光谱技术，因此可以研究接近其 融 点的冰，可能有助于回答这些问题。

5 冰中 杂质 的位置在哪里？ 在高层大气和太空中， 水冰经常与一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫酸和硝酸混合 。地球表面的冰含有来自海盐、灰尘和污染等来源的化学物质。当彗星接近太阳时，不同的杂质被观察到一起沸腾，这表明它们被困在冰冻物质中，直到冰基质气化。但 我们不知道这些杂质是如何与冰混合的 ，也不知道不同类型的冰，如松软的雪和压实的冰川，是否以类似的方式容纳污染物。

冰中的气泡留存了远古时期的大气成分。图片来源：伯尔尼大学的 W. 贝尔纳

在实验室中已经识别出一些与杂质相关的常见晶体结构。例如，硝酸与冰冻水形成固态水合物，这对地球平流层的臭氧消耗至关重要。我们必须确定 太空、云层和地面的冰基质中杂质的相态、位置和化学环境 。表面敏感光谱和衍射是这方面有前途的技术。

6 冰中 的 化学 反应 如何进行？ 在南极，从雪中释放的一氧化氮的反应产生足够的臭氧，使当地浓度升高到工业区的水平。在北极，从大气中沉积到积雪中的汞离子在释放回空气之前会发生化学转化。在太空中，氢、水、甲醇、碳的氧化物、氨和氨基酸等分子在冰粒的表面形成。

为了更好地理解发生在表面膜和复杂冰基质中的化学反应，我们需要确定主要反应途径和杂质的位置，因为在冰表面的反应活性与微孔或本体冰中的反应活性有很大的不同。 经典动力学实验可以确定反应物的化学状态 。

备注： pockets of liquid in ice ：这里 “pockets” 原意为 “ 口袋；小容器 ” 等，在这里可以理解为冰里面类似小口袋一样的、包含液态水的局部区域。

在实验室中，纳米级冰囊中的液体在比正常温度低几十开尔文的温度下才会冻结。但这样的小囊是否存在于自然界中，以及它们可能捕获多少杂质，目前仍不得而知。在如此小的尺度上进行观察很困难，而 且很难用光学方法区分液态和固态水 。使用能增强液相和固相之间对比度的化学物质进行显微镜观察可能有助于解决这些问题。

8 物理过程如何影响冰中的杂质？ 大气中的化学物质迅速被雪吸收，并在几个世纪的时间里逐渐渗入冰川冰中，随时间改变空气、雪和冰的化学性质。缓慢扩散的污染物（如氟化物和甲烷磺酸盐）含量的波动，使得从冰芯中获取环境记录的年代测定变得复杂。

通过测量交换速率和确定交换在冰结构中发生的位置，必须确定主导冰雪中杂质扩散以及它们在云中和地面与大气之间交换的过程。表面吸附、向冰晶内部或沿晶界扩散，以及被液体捕获都会影响杂质的迁移和命运。我们可以使用光谱技术在分子水平上跟踪这些相互作用。

9 冰的生长如何影响杂质？ 冰和雪表层的水分子不断发生蒸发和重新冻结。在一天之内，随着温度在冷热之间循环，高达 60% 的分子可能被重新分布。

当冰的形状、表面积和体积发生如此剧烈的变化时，杂质会如何响应？实验室和野外研究表明， 生长中的冰比稳定的冰更容易吸收汞、过氧化氢、盐酸和硝酸。 需要进行实验来准确测量这种吸收，并研究不同生长速率下的情况。追踪单个生长冰晶的吸收情况将是一个良好的开始。

10 冰将 保存 多久？ 卫星数据显示，北极常年海冰覆盖面积每十年减少约 10% 。格陵兰和南极冰盖的冰川萎缩正在加速。我们对这些观测的理解还不足以预测本世纪地球上的雪和冰可能消失的速度。研究冰化学对分子尺度融化过程的影响将有助于我们预测地球雪和冰的命运。

冰化学研究面临的挑战与机遇

在当前全球气候变化的背景下，冰化学研究变得愈发重要。然而，这一领域的发展正面临着多重挑战。通过现有的国际合作网络，如国际全球大气化学项目和欧洲科学基金会的研究计划，科学家们已经开展了初步探索。但要深入理解冰在全球生态系统中的作用，仍需要更广泛的跨学科合作。

首要任务是扩大研究团队的专业覆盖面。除了现有的研究人员外，还需要引入材料科学、细胞生物学和食品科学等领域的专家。这种多学科交叉将有助于全面解析冰的物理化学特性及其环境影响。

然而，基础研究面临着资金短缺的困境。估计需要 持续的 投资才能系统地解答目前面临的关键科学问题。更重要的是，研究重心需要从野外观测转向实验室研究。这需要利用同步加速器等先进设备开展精确的实验研究。

参考资料

Bartels-Rausch, T. Ten things we need to know about ice and snow. Nature 494, 27–29 (2013). 本文探讨了冰雪在地球气候、地质和生命中的核心作用，强调了理解冰的分子行为对预测地球未来的重要性。文章指出，尽管冰雪覆盖对地球环境有着广泛影响，但其分子机制仍未知。作者提出了十个关键问题，涉及冰的形成、结构变化、表面特性、杂质作用等方面，并呼吁加强实验室研究以解答这些基本问题。