雪被踩了以後為什麼會發出吱吱聲？

在雪地上的走的時候，雪有時會發出吱吱的聲音。這是怎麼啦，是雪被踩疼了嗎？可是為什麼有的雪被踩了以後沒有吱吱嘎嘎的聲音呢？

雖然下雪的過程已經被科學家們研究得透透的了，但是雪被踩了以後為什麼會發出嘎吱嘎吱的聲音，真倒還沒有很多人研究過。

雪是過冷水滴（溫度低於冰點但還沒有結晶的水）遇到空中懸浮的灰塵微粒後凝結而成的。雪片從天而降的過程中，有時還會遇到一些過冷水滴，然後它們就會抱在一起變成很結實的小雪球，叫做霰（xiàn，graupel）。

▲ 霰（左）和冰雹（右）

踩在這類很結實的雪上面以後，被踩的霰就會發出吱吱嘎嘎的怪叫，好像踩到了它們的尾巴一樣。

有一些雪鬆鬆垮垮的，踩在這種雪上面，它們就會發出梭梭的聲音，很好聽。

那麼，雪被踩了以後發出的聲音到底是什麼產生的呢？現在的解釋主要分成兩類。

雪被凍得「牙齒」打架

有人認為，雪發出的吱吱聲是雪粒之間摩擦，或者雪和鞋子摩擦發出的聲音。而且雪能不能發出摩擦聲，和溫度有很大的關係，只有非常冷的雪才能發出吱吱聲。

也就是說，雪發出的吱吱聲是它們「凍得牙齒打架」的聲音。

這派解釋把雪的聲音和溫度聯繫了起來。

物理學家法拉第（Michael Faraday）發現，冰晶總是被一層水（准液體層，quasi-liquid layer）包圍著，而這層水的厚度和溫度有關。

零下10攝氏度以下時，這層水就只有一個水分子那麼厚；在零下1攝氏度的時候，這層水有好幾百個水分子那麼厚。

▲ 雲南梅里雪山（左）的上的高達4米的齒列冰錐（右）（penitent）就是復冰現象產生的。在濕度為70%，溫度在零下10-20攝氏度的高海拔地區，齒列冰錐比較常見。

另外，當受到很大的壓強的時候，冰的融點會下降，因此冰就會融化；壓強減小後又會重新結冰，這就叫做復冰現象（regelation）。

因此有人提出，如果雪的溫度在零下10攝氏度以上，此時如果去踩雪，一些雪在你的噸位產生的巨大壓強下就會軟化變成一灘水。這些水就像潤滑劑一樣，可以減小摩擦，因此這樣的雪就不會發出吱吱聲。

如果冰的溫度低於零下10攝氏度，就算你是一隻踩著高跟鞋的小豬，你的鞋跟產生的壓強也並不足以使冰融化，雪還是一粒一粒的冰晶。所以被踩了以後，固體狀的冰就像沙粒一樣會相互摩擦發聲，或者和你的鞋子摩擦發聲。

不過這個解釋的一個大毛病在於，有人計算過，在一般的環境中，即使穿著帶冰刀的溜冰鞋，人的體重在冰刀上產生的壓強也不足以使冰融化。

所以究竟人能不能把雪踩成水，是不是含水量大的雪就不容易發出吱吱聲，現在誰也不能確定。

雪的脖子斷掉了

麻省理工學院的材料科學家 W. Craig Carter 認為，雪被踩了以後發出的聲音是雪的「脖子」斷掉的聲音。

這裡說的雪的「脖子」就是冰的晶體之間的鍵，吱吱聲就是雪片之間的鍵斷裂的聲音。

新下的乾乾的雪片之間的距離比較大，相互之間結合得並不緊密，鍵不多。這樣的雪踩起來，是「夫夫」聲，而不是吱吱聲。

幾個小時後，新雪在自身重力的作用下碎掉垮塌，然後又重新結合起來，形成了更多的鍵。因此蓬蓬的新雪變成了更加密實的老雪，老雪不容易因為自身重力繼續垮塌。

從新雪變成老雪的過程叫做「燒結」（sinter），經過了燒結的老雪被你的體重壓爆了以後，許多鍵被踩斷了，因此才會發出嘰嘰聲。

在 Carter 看來，雪被踩出吱吱聲和瓷器碎掉時發出的「嘩啦」聲是一回事。實際上，瓷器就是通過燒結產生的，粘土分子在高溫下形成了新的鍵，變得更加密實牢固，因此打破瓷器時斷裂的分子鍵也會發出聲音。

這種解釋聽起來挺有道理的，因為在踩雪的時候，上面一層鬆鬆的雪會發出沙沙的聲音，但是踩到底下比較硬的雪的時候就會發出吱吱的聲音。嚼冰的時候也會發出吱吱聲。現在就差一個實驗來證明這個假說了。

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圖片來源：Phys.org, SNJ Today, giphy

J. Corripio, Spiked ice, 2001, Edinburgh, Scotland.

V. Bergeron, C. Berger, and M. Betterton, Controlled Irradiative Formation of Penitentes. Phys.

參考資料：

Humphreys, W. J. (1920). Physics of the Air. Franklin Institute of the state of Pennsylvania.

https://www.scientificamerican.com/article/why-does-snow-squeak-when-stepped-on/

http://blog.sciencegeekgirl.com/2008/12/29/why-does-snow-crunch-under-your-feet/

https://arxiv.org/pdf/1501.06981.pdf

https://nsidc.org/cryosphere/snow/science/characteristics.html

http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ed049p179.1