张鹏教授研究发现自然界中冰雪融化的主要驱动力

本站讯  生活中你有没有发现，冬天下雪后，在阳光普照的日子里，硬化地面上的雪最先融化，而覆盖在小草上面的那一团团白雪总是到最后才消失（见图1）？为什么融化的速度不一致？使冰雪融化的热源主要来自哪里？为解开这个谜，威海核技术前沿创新研究院张鹏教授指导学生刘思成，李怡宁，夏誉齐等通过对比实验取得了重要的发现。研究成果发表于期刊Results in Engineering (IF=7.9, 专业排名6/179，链接：https://authors.elsevier.com/sd/article/S2590-1230(26)00300-2)。

图1

自然条件下，冰雪获得热量的主要来源有三个，分别是太阳的热辐射、附着物的热传导和空气的热对流。为获得对比数据，先不考虑空气对流的影响，实验环境选在室外零度左右，无风的晴天进行。实验小组同时制作了两个冰块样品，一个用细线悬挂在阳光下，使其获得的热能主要来自太阳的辐射；另一个也在阳光下，但放置在土壤上，使得能量来源增加了土壤吸收阳光后的热传导。相同条件下，对比两组冰块的融化速率发现，附着土壤的热传导是主要的贡献，它比太阳辐射的贡献约大一个数量级。在此基础上，结合理论模拟发现，随着环境温度的升高，热对流加速了冰的融化。当环境温度上升到5℃后，热对流的贡献使得两组冰块的融化速度几乎相当。当温度上升到8℃时，土壤组的融冰速度比纯冰组增加了2倍。可见，温度升高后，热对流成为主要的贡献。这项工作给出了一个冰雪如何在自然环境下融化的量化数据，对于全球变暖导致冰雪融化加快的现象也给出了一个科学解释。

图2

如图2所示，对比太阳到达地面的辐射谱与冰的吸收谱可以发现，冰的红外吸收峰远远落在太阳辐射的能量之外。这说明，来自太阳辐射的能量吸收是一种非共振的光子-声子耦合，因此吸收效率很低。为此，该论文提出了一种新的光热转换技术，即通过提供冰的某个强吸收峰频率的激光辐射，使光子-声子共振吸收，分子内羟基振动获得能级跃迁，此时振动能大于分子间氢键键能，导致氢键断裂，可以实现冰的快速融化。理论估计，这样的融冰速率比热传导方式至少能提高两个数量级，能够实现最快速的固液相变。该技术为快速除冰，可燃冰开采，食品解冻等生产、生活中遇到的问题提供了新的解决方案，具有广阔的应用前景。