[個人寫作]可樂冰沙過冷小實驗與自然界的過冷現象－小蟑螂的土土小窩

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圖片：可樂過冷小實驗的原理簡圖

作者：嚴融怡

在自然界當中，其實很常有過冷現象的產生，特別是在高空的氣象情形當中，在強對流天氣過程中如果冷渦漩帶入明顯的乾冷天氣並且進一步拉大高低空的溫差以及對流不穩定層，將會迅速發展對流風暴並促使雲層中-10℃到-30℃之間的區域大量的過冷水滴隨上升氣流帶動，令其中較大的過冷水滴透過凍結、冷凝、凝華，而形成固態的雹胚。雹胚會在不穩定能量所導致的強烈上升氣流推動下不斷移動並經過反覆多次的增長擴大。春夏季節，近地面較容易形成不穩定的濕熱空氣。當高空為弱冷空氣時較容易引起大氣的強烈對流，並使得濕熱空氣快速上升，而為冰雹塑造形成的條件。在冬季，近地面氣溫較低，比較不容易產生強大的快速上升氣流，所以冰雹在冬季很難形成。

天空中還有另一種冰類形成物與雹的形成過程類似，那就是霰，霰與雹都是由較大的冰晶或雪花作為成核的中心，當這類冰晶下落的過程中與過冷水滴（super cool droplets）產生碰撞，過冷水滴碰撞到冰晶時會瞬間凍結，也就是淞化（Riming），然後在這當中會一直有很多過冷水滴進行這一作用，持續在碰撞過程合併與增大原初冰晶的體積，這一過程又稱為撞凍（accretion，在大氣科學中是二十一世紀才出現的學術名詞）。由於霰的成長主要是由於聚集了非常多過冷水滴的撞凍過程，因此質地並不均勻，而會在冰層當中含有很多空隙，這一過程所造成的粒子密度也比較低。但如果這樣的粒子是在強對流區反覆向上帶到零度線以上凍結，則空隙會在反覆地融化與凍結的過程中被填滿，並進一步朝向緻密的冰雹發展。因此雹的質地較為堅硬且因為質量較大而較具有殺傷力，而霰的質地則較脆弱、碰觸時也容易碎掉。

過冷現象除了發生在大氣當中，也常發生於海水。過冷海水是指溫度低於參考冰點的海水。在南極海域除了冰川融化的某些沿海地區被發現有過冷現象，過冷現象也可能發生在其他的區域。過冷水能以對流羽流的形式從海冰下的表面下沉到一百多米。這些下沉的過冷羽流(sinking supercooled plumes)可能是海洋表面和深層之間交換熱量、碳、氧與營養物質的重要過程，而目前在全球氣候模型中關於這類過冷現象因子的加入也還有很多需要持續補強的地方。不過科學家發現南象海豹似乎很喜歡在海冰邊緣或冰間湖地區的這類較容易發生過冷水的寒冷水域中潛水，牠們是否因為環境條件（例如攝食）才喜歡這些水域？這些還有待科學家進一步研究。

海水因帶有鹽分的關係，在冰冷結凍時較不容易凝固變成冰塊，反而會像是塊飽滿的海綿。在冬季，南極海面氣溫約攝氏-20度，而內層的海水在攜帶鹽分並且在較深區域還有水壓的助力卻能保持攝氏-1.9度的低溫，而當海水面持續接觸到極冷的空氣時，這時只要有任何破壞穩定平衡的因素，便會產生過冷效應而由海面迅速往海床向下結凍成為「死亡冰柱」(icicle of death，或譯為死亡手指」。死亡冰柱在結冰過程會釋放出溫度低、密度高的鹽水，並持續向下沉降而結冰擴散。由於過冷結冰的速度極快，BBC曾以影像記錄到就連附近海床上路過的海膽、海星等生物也都來不及逃脫而全數凍結。這也形成了某種死亡陷阱。

在九年一貫之後的小學六年級自然課程當中，牽涉到冰雹與冰霰形成過程的知識有時不容易向同學說明白這類過冷現象，那麼就直接做一個具體的實驗吧！可樂過冷瞬間結冰是顯示這類現象非常有名的實驗，有的版本稱為一秒結冰實驗，有的版本則是直接拿瓶裝礦泉水來進行。但筆者的經驗還是以可樂比較容易成功，這是因為可樂比瓶裝水還多了一個由溶解二氧化碳釋放壓力所能帶來洩壓效應，在液體的三相變化當中壓力降低也能使凝固點上升，有助於結冰。而且還可以製造很多學生喜歡的可樂冰沙。

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圖片：冰加鹽重量比3:1的搗冰混合與埋入可樂瓶的情形

這一實驗的主要步驟是要將可樂浸泡在低於零度的冰水中，可在鋁盆中先擺放可樂(盡量不要碰撞搖晃)，然後以冰及氯化鈉食鹽約重量比3:1(摻入氯化鉀的低鈉鹽也可以，這是作為冷劑），並儘量讓冰塊與食鹽攪拌均勻，同時將可樂瓶內的液體覆蓋住，之後可加入少量水來填補空隙，然後靜置一小時左右。不過如果要準確一些，可以插入一支溫度計做檢測，如果現場冰加鹽的降溫效果非常理想可達-15℃，則只需約半小時，否則容易直接凍結，就看不到之後的過冷效應了(但若冰加鹽的溫度已經達到-15℃以下，然而周圍的室溫卻偏高，也可以整盆放入冰箱的冷藏室當中助其降溫)。之後小心移走覆蓋的冰塊，然後緩慢取出此可樂寶特瓶。之後先打開瓶蓋釋放出一點點二氧化碳洩壓，然後再關緊瓶蓋，再進行搖晃(記得搖晃時手盡量拿瓶蓋部位或是沒有液體的部位，以避免長期抓握被凍傷；也可以戴手套進行)，甚至可以輕輕敲擊桌面，可樂將會瞬間結冰。小時候我看過國外影片以玻璃瓶可樂進行的這項瞬間結冰實驗，感覺結冰效果在玻璃瓶的呈現更有震撼力(不過需要注意避免破裂)，但是比較可惜近幾年很難買到玻璃瓶的可樂。

在這實驗當中，提供低溫的條件來自於冰加鹽的冷劑，為什麼冰加鹽可以降低溫度？這是因為當水要結冰時，水分子之間會形成新的氫鍵，進而組成規律的晶體，但若此時水中溶解有其他物質，則會妨礙晶體的形成。原本接近0℃的冰、水二相共存時，冰與水在融化與結凍之間相互達於平衡，而鹽的存在卻會因為溶解的作用而立即抓走水，破壞冰水之間可逆反應的平衡，並造成蒸氣壓下降，進而降低鹽水的凝固點，使它低於原來的0℃，此即拉午耳定律(Raoult's law)當中所敘述的溶液蒸氣壓下降會造成凝固點下降。而另一方面，含氯鹽類溶於水會吸熱加上冰融化的本身也在吸熱，所以這些因素加起來便會大幅降低冰加鹽環境中的溫度了。而可樂這類的含碳酸飲料之所以比純水容易進行過冷凍結，是因為可樂瓶內大量灌有二氧化碳原本就具有瓶內的高壓情形，當壓力較大時冰點比較低；而當打開瓶蓋時，由於瓶內二氧化碳的釋放解壓，會使壓力降低，也會使得可樂的冰點溫度升高，有助於結冰的容易產生。

接下來就是最重要的過冷反應了，其實這一實驗即使是純水也是可以進行的。一般的水凝結為冰，通常是溫度降低到凝固點；但是過冷水(supercooled water)則是因為一些因素而使液態水可以存在於凝固點以下的情形，像是壓力上升則造成凝固點下降，因此深海的海水因為水壓大而較不易結冰，但這一情形如果在壓力改變、結晶核存在以及外在不穩定(如晃動)，則會破壞原來的過冷情形，就可以立即凝結為冰。這一實驗主要便是讓可樂先形成過冷水，之後再讓二氧化碳釋放使壓力降低並造成凝固點上升；然後劇烈搖晃又造成不穩定的液相環境；之後只要一有結冰的產生，便存在結晶核了，於是冰層便會瞬間在可樂當中擴展開來，而造成可樂冰的凝結。這一實驗其實相當有趣，有得吃也有得玩，也很適合作為108課綱之後的素養補充學習與STEAM的實驗等等。而實際上若就結冰溶液的選擇也還可以有很多變化與其他的小研究可以提供給中小學生進行各類探索。

可樂迅速結冰實驗的搖晃結冰情形.png