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冬季不冻的松花江水造“奇迹”

2020-01-13     来源:中国科普网


吉林冬季龙舟赛是世界上最近几年才有的新赛事。这是因为,龙舟赛过去一向在夏季举行,即使中低纬度冬季赛事也少有听说,因为冬季多是枯水季节。而位于北纬43度的吉林市,1月平均温度低达零下近20℃,极端最低气温零下40℃,自然界滴水成冰,河湖水面结冰厚达1米,怎能举行龙舟赛事?

原来,举办龙舟赛事的吉林松花江上游,有个小丰满水库,1958年水电站建成发电,从电站排水口放出来的水是恒温4℃,排出的水量又大,因此才可能保证下游数十千米江面不冻。加上江面又宽阔,因此才能举办冬季龙舟赛。


龙舟赛江水不冻


为什么小丰满水电站冬季排出的水温能高达4℃?

新华网2003年1月5日发布的“国际冬季龙舟赛首次在北纬43度的吉林市举行”文中说,“江水流经巨型水轮机组后升高变暖,携带巨量热能顺流而下,创造出现今世界上独一无二的寒带不冻江面的奇迹”。文中还引用了参赛的一位美国选手金·凯尼的话,“真是太奇妙了,我走过世界上那么多的地方,从来没有在室外零下30多摄氏度低温下见到过流动的水。这简直就是天方夜谭。”

但实际上原因并非如此。而是因为入冬后水温迅速下降,低温水密度大,沉入水底,不断降低底层水温度。但有意思的是,水的密度不是在0℃,而是在4℃最大,因此除非严寒到水库连底冻,水底和水体中下部的温度始终都是4℃。这就是小丰满水库水面虽有1米厚的冰,而水库中下部仍是4℃水的原因所在。这是物理学规律。

所以,如果小丰满水电站排出4℃水的原因,是和发电机叶片摩擦生热的话,那么发电机规模远比小丰满大得多的南方三峡等水电站,岂非要排出温水甚至热水来了吗?因为南方仅冬季气温就要比吉林高出20~30℃左右。还有,如果水没有4℃时密度最大的物理学特性,那么冰或将从水库底结起,水电站电机发电的“第一推动力”又从何而来?


吉林雾凇成因不是“霜”


其实,冬季不冻的松花江水给我们制造的奇迹,首先还不是吉林冬季龙舟赛,而是吉林雾凇,它比龙舟赛出现要早54年之久。吉林雾凇产生的原因是,小丰满电站出水口排出的4℃不冻温水,瞬间接触到零下20多摄氏度的自然界严寒大气,常常就会像揭开盖子的蒸笼一样,浓雾腾空而起,随江水西流,所过之处,沿岸的吉林雾凇就诞生了。

本文的第2个科学问题是吉林雾凇诞生的原因。前几年冬季,吉林市政府在《北京青年报》等大报上刊登的整版旅游宣传广告中,常常是“松花江水流出释放的水蒸气,凝结在两岸树木和草丛之间”“江水蒸腾的雾气遇寒冷空气凝结于树上,便形成了吉林雾凇”,等等。

实际上,吉林雾凇形成的原理和方式并不是“凝结”,而是“撞冻”。如果是空气中水汽在地物表面逐渐凝结成的,那叫霜。因为贴地面气层中水汽有限,分子凝结速度又特慢,所以整个夜间凝结成的霜也只粉状薄薄一层,哪能形成吉林雾凇美丽奇厚(据报道最大可达4~6厘米)如花,产生类似“忽如一夜春风来,千树万树梨花开”的惊喜?而且,雾凇必须是在雾中形成,而霜则相反,是在无雾的晴夜中出现的,两者形状也完全不同。

所以,雾凇形成的真正原因是,雾中大量的过冷却水滴在沿岸地上物随撞随冻的结果。过冷却水滴是指零下而暂时尚未冻结的水滴,一旦随浓雾长龙遇到树木等温度在零下的地上物,就会迅速冻结。这好像天上降由过冷却水滴组成的冻雨,地面立马会冻成冰面(雨凇)一样。正因为如此迅速撞冻的形成方式,吉林雾凇厚度、体积才能比霜大得多,成为“寒江雪柳,玉树琼花”的“冰雪之花”。

其实,对雾凇成因的这种误解,气象部门内部也有。例如我主编的《气象新事》中就收进了这样一篇文章 ,只是因为其他方面材料均很好,所以在采取于文后加上主编批注(指出成因错误)后仍予收进。还要提到的是,最近至少二三年的霜降节气当天,中央电视台综合频道19点半天气预报节目中的压题照片就恰恰是雾凇而不是霜。因为照片上都有树,树上结满了美丽的雾凇。有谁能看到有如此美丽的“立体霜”,且会结到高高的树顶上去的呢?

(作者系中国气象科学研究院研究员)

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