冰是我们生活中司空见惯的物质。冬天，你会看到河里的水结冰。夏天，则有我们喜欢喝的冰镇饮料。体育项目中有滑冰。我们在电视电影里经常看到的冰山冰川现象。20世纪90年代的着名电影《泰坦尼克号》，其凄美的爱情故事就和我们本书的主角——冰，不无关联。那艘号称“永不沉没”的泰坦尼克号轮船就是毁于“美丽”的冰山之手。
可以说，冰与我们的生活息息相关。关于它，你了解多少呢？
本书将对冰的知识进行系统的介绍。看看哪些是你知道的，哪些是你不曾听说过的。
第一节冰的概述
1.水的固态——冰
众所周知，自然界的水，通常有气态、固态和液态三种状态。其中，冰就是水的固体形态。
水是一种特殊的液体。我们都知道，水在4℃时密度最大。温度在4℃以上，液态水一般遵循热胀冷缩的规律，这是容易理解的。
但是为什么到了4℃以下，水就变得不守规矩了呢？原来，4℃以下时，水中呈线性分布的缩合分子中，出现一种像冰晶结构一样的似冰缔合分子，叫做“假冰晶体”。而且冰的密度比水小，由于“假冰晶体”的存在，水的密度就降低了。
目前，人类已经可以在实验室里制造出8种不同的冰的晶体。不过，只有天然冰能在自然条件下存在。其他晶体都属于高压冰，是无法在自然条件下稳定存在的。
在天然冰中，水分子的缔合是按六方晶系的规则排列起来的（如第3页图）。所谓结晶格子，最简单的例子是紧密地堆砌的砖块，假若我们在这砖块的中心用一个假设的原子来代替，则就会得到一个类似冰晶的格子。通常来说，冰的晶格是一个带顶锥的三棱柱体，6个角上的氧原子分别为相邻6个晶胞所共有。3个棱上氧原子各为3个相邻晶胞所共有，2个轴顶氧原子各为2个晶胞所共有，只有中央一个氧原子归该晶胞所独有。
2.与生俱来——冰的性质
冰是无色透明的固体，晶格结构一般为六方体。但是，在不同压力下，也可能出现其他晶格结构。在常压环境下，冰的熔点为0℃。也就是说，温度达到0℃时，冰就开始融化。
一般情况下，当0℃的水变成冰，它的体积会增加1/9左右。
据观测，封闭条件下水冻结时，因体积增加所产生的压力可达2500大气压。
3.孪生兄弟——冰水之别
据研究，冰是一种具有四面体的晶体结构。而且这个四面体是通过氢键形成的，它是一个敞开式的松弛结构，因为5个水分子不能把全部四面体的体积占完，在冰中氢键把这些四面体联系起来，成为一个整体。这种通过氢键形成的定向有序排列，空间利用率较小，约占34％，因此冰的密度较小，约为4℃时水的9/10。
水溶解的时候，由于大量的氢键被拆散，从而使得其整体化为四面体集团和零星的较小的“水分子集团”。所以，液态水没有冰那样的有序排列，而是有一定程度的无序排列。水分子间的距离不像在冰中那样固定，它可以由一个四面体的微晶进入到另一微晶中去，这样，分子间的空隙就减少了，这就是为什么水的密度比冰大的原因。
温度升高时，水分子的四面体集团不断被破坏，分子无序排列增多，因而密度增大。在4℃时水的密度达到最大，随着温度的升高，水分子间的热运动也会增大分子间的距离，从而使密度又减小。所以，过了4℃，水的密度随着温度的升高又会变小。
第二节冰的形成
1.季节性的冰——河水结冰
通常，我们知道，在一个标准大气压的环境下，若温度降低到0℃时，水就会凝结成冰，但是，事实上会如此简单吗？究其答案，并非所有的事实都如理论所预言的那样。一个典型的例子就是，在自然界中，当温度正好是0℃的时候，河里的水并不一定会结冰，这究竟是为什么呢？其一，自然界的水不是纯净水，河水中可能溶解了许多矿物质，这就会使水的熔点降低。其二，水结冰会释放出大量的热，而当温度刚刚从0℃以上降到0℃的时候，在这个结冰点即使有水结成冰，也会被放出的热量融化掉。
因此，在自然界中，只有温度下降到0℃以下，河水才会出现冻结现象。此外，也还存在温度降到0℃以下水还是不能结冰的情况，则这时的水我们称之为“过冷水”。
你知道吗？静水和流水的结冰过程是不同的。当静水冷却到4℃后，水面将继续降温，仅能使表层发生冷却，而底层的水则在较长时间里仍旧保持着4℃的温度。所以，对于静水来说，冻结冰是从水面开始的。
流水结冰的过程和静水不同。因为它处在流动状态，紊流扰动强，不仅表层冷却迅速，底层也同时降温。所以流水结冰时，水面和水内几乎是同时结冰的。河流结冰在水面和水中同时结冰是很多专家一致认可的观点。大家都认为河流混合作用强，在结冰前河水上下都能达到大体相同的温度。而且只要有结晶核，在任何地方都可以开始结冰。
事实上，河流封冻有两种情况。一是从岸边开始，向河心发展，逐渐汇合成冰桥，冰桥宽度不断扩展，使整个河面全部被封冻。二是流冰在河流狭窄或浅滩处形成冰坝，冰块相互之间和冰块与河岸之间迅速冻结起来，然后再逆流向上扩展，最后使得整个河面全部封冻。
2.永不消逝的冰——永冻冰
永冻冰，是指一年四季都不会融化的冰。它是位于地球的南北两极的极冠。由于两极气候非常寒冷，因而其结成的冰层长年都不会融化。
位于地球两极极地冰的面积不是永恒不变的。它会随着气候的变化在面积上有所增减。如夏季时，由于部分气温升高，处在南北两极极冠的冰的面积要比冬季时小得多。当然，也有一部分在夏季时也不会融化，这就是被称为永冻冰的部分。那么，永冻冰既然是一种四季都不会融化的冰，那它是不是永远都不会融化呢？事实当然不会如你所想象的那样。实际上，当前的冰川范围正在随着地球气候的变化而改变着，如前两年的报道说，北冰洋的永冻冰正在以其前所未有的速度迅速松动融化。看来，这并非是危言耸听。
前几年，据欧洲航天局公布欧洲环境卫星发回的图片指出，欧洲北部至北冰洋一带的永冻冰正在以前所未有的速度松动融化。据专家推测，永冻冰的迅速融化可能是地球气候变暖造成的，同时，永冻冰的融合还可能反过来促使气候进一步变暖。
由于全球气候变暖，永冻冰的范围在不断缩减，其外围冰层已经因为气候变暖而开始松动崩坍。不过，根据专家分析，两极的冰也不会完全融解。这是因为海水的结冰点比淡水低，当融解进海洋的淡水使海水的浓度降低，海水的结冰点就会相应地升高。直到其结冰点温度比当地的气温还要高时，永冻冰层融化的过程就会停止，并转而使浓度较低的海水开始结冰，使冰层再度扩展。然而，永冻冰的松动融化可能会带来一系列的问题。所以，这一问题也不容忽视。
欧洲航天局地球观测所专家德林克沃特说，以前挪威的斯匹次卑尔根群岛或者西伯利亚北部是根本无法通行的坚冰区，而现在，一艘船只可以毫不费力地经过这一区域直接驶往北极。
也有专家指出，现在北冰洋的永冻冰正在以空前的速度松动融化，而且北极冰帽的融化速度在最近几年也开始加快。在20世纪80年代初，北极冰帽的面积还有800万平方千米，而到了2005年年底，这一面积已经缩小到了550万平方千米。
究其原因，专家们一致认为气候变暖是导致永冻冰融化的罪魁祸首。另外，多次的强烈风暴也可能导致该地区的坚冰崩裂，变薄的冰层则更容易融化。专家强调说，虽然北冰洋的永冻冰融化不会导致海平面上升，但更为严重的是永冻冰的融化会加剧全球气候变暖。这是为什么呢？原来冰是白色的，白色的冰可以反射太阳光，随着永冻冰的融化，地球表面的白色会减少，从而海水会吸收到更多的热量，这样就使海水升温，又进一步加快永冻冰的融化。如此循环下去的话，最后的结果将是海平面上升和陆地面积减少，部分岛屿将永远从地球上消失。