Что-то почти волшебное происходит, когда вы кладете в морозильную камеру поднос, наполненный плещущейся жидкой водой, а потом она выходит в виде жесткого твердого кристалла льда. Химики из Университета штата Юта немного приподняли завесу над процессом замерзания, особенно в облаках.
Их исследования показывают, что когда капли воды замерзают в облаках, структура кристалла льда не обязательно является классической шестиугольной структурой снежинки. Скорее, более неупорядоченная структура льда образуется легче, чем шестиугольный лед, при определенных условиях облачности, что позволяет каплям воды в облаках превращаться в лед быстрее, чем предполагалось ранее. В работе согласуются теоретические модели облаков с наблюдениями за скоростью замерзания. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Почему вода замерзает
Даже в теплом климате осадки обычно начинаются с того, что капли воды в облаках превращаются в лед. Почему? «Эти капли жидкости могут вырасти до определенного размера, - говорит Валерия Молинеро, профессор химии Университета штата Юта, - но чтобы вырасти до размера, достаточного для того, чтобы упасть с неба, эти капли должны сильно вырасти. больше."
Лучший способ стать больше - превратиться в лед. Небольшая атмосферная частица, называемая аэрозолем, может запустить процесс замерзания в охлажденной воде. Или же процесс может начаться самопроизвольно, когда внутри капли появится небольшая область упорядоченных молекул воды. Если этот «кристаллит» достаточно велик, то капля может замерзнуть и продолжить расти, втягивая окружающий водяной пар. Процесс роста кристаллов из маленького зародыша называется зародышеобразованием.
Преодоление барьера
Маленькие зародыши кристаллов сталкиваются с барьером для роста. Из-за взаимодействия между небольшим твердым телом и его жидким окружением кристаллит должен вырасти до определенного размера, чтобы иметь возможность продолжать расти, а не просто таять. Представьте холм. Если вы толкнете камень в гору, но не доберетесь до вершины, камень скатится обратно туда, откуда вы начали. Но если вы толкнете его достаточно далеко, он скатится с другой стороны. Вершина холма (называемая барьером свободной энергии) устанавливает критический размер для продолжения роста кристаллита.
«Наша статья посвящена тому, чтобы показать, какова структура кристаллита наверху этого барьера и как она влияет на скорость зарождения», - говорит Молинеро.
Ранее химики предполагали, что структура льда на вершине энергетического барьера представляет собой шестиугольную структуру, наблюдаемую у снежинок (хотя снежинки намного крупнее кристаллитов). Это очень стабильная структура. «Предположение о том, что он шестиугольный, является более интуитивным», - говорит Лаура Лупи, ученый с докторской степенью и первый автор статьи в журнале Nature..
Слоеный пирог
Предыдущее моделирование показало, что в некоторых облачных условиях кристаллиты с неупорядоченной структурой более предпочтительны. Эти «неупорядоченные» структуры представляют собой слоистую смесь молекул, которые не располагаются ни в гексагональной, ни в кубической кристаллической структуре. В своем исследовании Лупи и Молинеро обнаружили, что при температуре 230 К, или -45 градусов по Фаренгейту, барьер свободной энергии для укладки неупорядоченных кристаллитов на 14 кДж/моль меньше, чем для гексагонального льда. Другими словами, у неупорядоченного льда «холм» намного меньше, чем у гексагонального льда, и он формируется примерно в 2000 раз быстрее.
Это помогает специалистам по моделированию облачных вычислений лучше понять данные наблюдений, касающиеся скорости замораживания в облаках. Предыдущие модели нуклеации с использованием шестиугольного льда не могли отразить все поведение облака, потому что эти модели экстраполировали скорости нуклеации на температуры облаков без понимания влияния температуры на эти скорости. Исследование Лупи и Молинеро начинает исправлять эти модели. «Скорость зарождения льда может быть измерена только в очень узком диапазоне температур, - говорит Молинеро, - и чрезвычайно сложно экстраполировать их на более низкие температуры, которые важны для облаков, но недоступны для экспериментов».
В силу своего размера снежинки более стабильны, чем шестиугольный лед, говорят Лупи и Молинеро. Их выводы применимы только к очень маленьким кристаллитам. Лупи говорит, что их работа может помочь специалистам по моделированию облаков создавать более точные модели фазы воды в облаках. «Если у вас есть так много капель воды при определенной температуре, вы хотите предсказать, сколько из них превратится в капли льда», - говорит она. Более совершенные модели облаков помогут лучше понять, как облака отражают тепло и производят осадки.
Molinero говорит, что их работа улучшает фундаментальное понимание того, как быстро вода образует лед - процесс, который каждый день происходит в облаках и морозильных камерах. И это процесс, а не мгновенное событие, добавляет Молинеро. «Трансформация заключается не только в том, что вы опускаетесь ниже нуля и все», - говорит она. «Есть скорость, с которой происходит переход, контролируемая барьером зародышеобразования. И этот барьер ниже, чем предполагалось ранее».