冰釘

冰釘（）是一種突出一般冰面的冰，其形狀通常近似於倒置的冰柱，尖端朝上。數十年來，有些人認為冰釘是由表面許多小塊冰晶自然形成，但是此情形極為罕見。最近幾年網路上開始流傳天然冰釘的相片，以及用蒸餾水和家用冰箱製造人工冰釘的方法，這讓一些科學家開始在實驗室中測試該假說。現在已知波利－多爾西模型（Bally-Dorsey model）能解釋冰釘生成的原理。該理論於20世紀早期被提出，但許多年來未在實驗室中測試。雖然實驗似乎讓波利－多爾西模型的正確性獲得證實，但人們還未能完全了解此現象，也衍生出有關天然冰釘形成的問題。天然的冰釘能以非倒錐的形式出現，而且因為其他型態的冰釘還未有正式名稱，所以它們常被描述為冰燭、冰塔或冰瓶。還有一種特別的倒金字塔形冰釘。

雖然通常天然冰釘長約數寸，不過加拿大人傑納·荷瑟（Gene Heuser）曾描述1963年他在結凍的伊利湖上看過冰下的水受壓突出冰面，形成如電話線桿般、遍布湖面而且高約五英尺的冰。

背景 
幾十年來人們認為冰釘是罕見的自然現象。時至今日，由O·波利和H·E·多爾西獨立提出的模型最為科學界接受。冰釘傾向在水盆和寵物碗等容器形成，與湖泊或池塘等較大水體相比，此種環境中結冰更為迅速。網路上已經出現許多相關相片和討論，而且也有多起成功在家用冰箱製造冰釘的案例。此可行性促使一些研究者如肯尼斯·G·利布瑞區特（Kenneth G. Libbrecht）進行於受控環境中製成冰釘的必備條件測試。

形成原理 

自然形成的冰釘常為圓錐狀或多面體（以三面者最為常見），偶爾能在雨水槽或自來水槽見到。水於結冰後體積會增加9%，而反映其內部構造，冰晶常呈現六角柱形。頂部和底部的六角形被稱為底面（basal plane），和六角形底面垂直的方向稱為C軸。

表面的水在容器壁不規則處成核，然後向內部凍結。如果第一塊冰晶的C軸並非豎直，底面會在一條C軸的垂線與表面相交，此時形成冰針傾向沿該垂線在表面散布。同時簾幕狀的冰順著底面伸入過冷的水中。當冰組成的薄層覆蓋大部分的水面後，冰晶開始匯聚且被牢牢的固定著，而冰層繼續擴展，直到在水面中央留下未結凍的小洞。幕狀雛晶常以60度相接，所以小洞多為三角形，但是其他形狀也不無可能。下方的冰持續向水中延伸，並把剩餘的水從小洞中擠出，造成比冰面略高的半月形凸起。凸起邊緣的水結凍後成為有如小水堤一般，讓水在其上略微提升、結凍，然後又有水能往上攀附。若是水增高的速率和洞口結凍的速率一致，那此過程將反覆進行，形成許多連續的冰層組成的冰管，等到所有的水都結凍或管口封閉時才停止成長。冰釘的形成和容器的形狀、水中雜質的濃度、空氣溫度和水面上的空氣流動有關。從一粒雛晶形成的冰釘和冰面的交角不一定為90度。

一般人能在家利用蒸餾水、塑膠製冰盒和冰箱製作小型冰釘。自製冰釘的原理和天然形成者類似：冰向內延伸使得冰塊內部空間縮小，增加的壓力把水向洞口外推出。冰釘在頂端的水結凍之前都不會停止生長。此方法通常會產出頂端尖銳且橫切面為圓形或三角形的冰釘。該實驗已在實驗室中成功進行，科學家發現非蒸餾水中的雜質會抑制冰釘的形成，但是有時候自來水和雨水結成的冰也能長出冰釘。有些研究者認為小冰釘在冰箱中形成時，雜質會集中在管頂未結凍的水中，並阻礙水結凍。然而他們相信必有其他的作用移除天然形成中的大冰釘頂端的雜質，像是在小冰釘中不易見到的對流等。

圖集

參見 
晶體生長
冰柱
凝固
過冷水

註解

參考資料

延伸閱讀 
 Bally, O.̈ Uber eine eigenartige Eiskrystallbil-dung. Helvetica Chimica Acta 18 (1933), 475

冰
冰雪天氣現象