Eiskristalle

Die Eiskristalle Aufgrund ihrer besonderen und auffälligen Form waren sie schon immer Gegenstand der Forschung von Wissenschaftlern. Wenn wir sie unter einem Mikroskop betrachten, können wir sehen, dass sie spektakuläre geometrische Formen haben, und es ist erstaunlich, warum diese geometrischen Formen in der Natur entstehen.

In diesem Artikel werden wir Ihnen sagen, was die Schlussfolgerungen verschiedener Studien in Bezug auf Eiskristalle sind und was bisher entdeckt wurde.

Bildung von Eiskristallen

Die hochsymmetrische Form ist auf das Reservoirwachstum zurückzuführen, bei dem sich Wasser direkt auf Eiskristallen ablagert und verdunstet. Je nach Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit, Eiskristalle können sich auf viele symmetrische Arten aus den anfänglichen hexagonalen Prismen entwickeln. Die möglichen Formen von Eiskristallen sind säulenförmig, nadelförmig, plattenförmig und dendritisch. Wenn der Kristall in einen Bereich mit unterschiedlichen Umgebungsbedingungen wandert, kann sich der Wachstumsmodus ändern und der endgültige Kristall kann gemischte Modi zeigen.

Eiskristalle neigen dazu, mit horizontal ausgerichteten Längsachsen zu fallen, und sind daher auf polarimetrischen Wetterradaren mit verbesserten (positiven) differentiellen Reflexionswerten sichtbar. Das Laden von Eiskristallen kann andere als horizontale Ausrichtungen verursachen. Polarisiertes Wetterradar kann auch geladene Eiskristalle gut erkennen. Temperatur und Luftfeuchtigkeit bestimmen viele verschiedene Kristallformen. Eiskristalle sind für mehrere atmosphärische optische Manifestationen verantwortlich.

Gefrorene Wolken bestehen aus Eiskristallen, insbesondere Cirruswolken und Eisnebel. Eiskristalle in der Troposphäre lassen den blauen Himmel leicht weiß werden, was ein Zeichen für eine sich nähernde Front (und Regen) sein könnte, wenn feuchte Luft aufsteigt und zu Eiskristallen gefriert.

Bei normaler Temperatur und normalem Druck Wassermoleküle sind V-förmig und zwei Wasserstoffatome sind in einem Winkel von 105° an Sauerstoffatome gebunden. Gewöhnliche Eiskristalle sind symmetrisch und sechseckig

Wenn es zwischen zwei Graphenschichten komprimiert wird, bilden sich bei Raumtemperatur quadratische Eiskristalle. Das Material ist eine neue Eiskristallphase, die sich mit 17 anderen Eissorten verbindet. Die Forschung knüpft an eine frühere Entdeckung an, dass Wasserdampf und flüssiges Wasser im Gegensatz zu kleineren Molekülen wie Helium durch Schichten aus laminiertem Graphenoxid dringen können. Es wird angenommen, dass dieser Effekt durch Van-der-Waals-Kräfte angetrieben wird, die Drücke von über 10.000 Atmosphären beinhalten können.

Studien über Eiskristalle

Simulationen, die von Forschern des CSIC und der Universität Complutense Madrid auf dem Supercomputer MareNostrum in Barcelona durchgeführt wurden, haben bestätigt, dass der Schlüssel zum seltsamen Wachstum von Eiskristallen in ihrer Oberflächenstruktur liegt

Eisoberflächen können sich in drei verschiedenen Zuständen mit unterschiedlichem Grad an Unordnung befinden. Übergänge von einem zum anderen erzeugen abrupte Änderungen in Wachstumsraten bei steigenden Temperaturen und erklären die unterschiedlichen Wege (abgeflacht, sechseckig oder beides) aus Eis- oder Schneekristallen in der Atmosphäre.

Der Schlüssel zu diesen spezifischen Kristallveränderungen und -wachstum ist ihre Oberflächenstruktur. Eine Studie, die von den Forschern Luis González MacDowell von der Complutense University of Madrid (UCM), Eva Noya vom Rocca Solano Institute of Physical Chemistry (IQFR) des High Commissioner for Scientific Research und Pablo Llombart von beiden Institutionen durchgeführt wurde, zeigt dies etwas. . Der Artikel wurde in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

„Der Grund für diese Veränderung war bisher ein Rätsel“, sagt González MacDowell und erinnert daran, dass der japanische Forscher Ukichiro Nakaya in den 1930er Jahren die kleinsten Eiskristalle, Diamantenstaub genannt, in Form eines sechseckigen Prismas entdeckte. Diese Prismen können flach wie eine Raute oder länglich wie ein Bleistift oder ein sechseckiges Prisma sein und sich bei einer bestimmten Temperatur von einer Form in eine andere umwandeln.

Simulationen

Die Forscher beobachteten, dass die Eisoberfläche bei niedrigen Temperaturen glatt und relativ ordentlich war. Wenn die Dampfmoleküle mit der Oberfläche kollidieren, Sie können keinen Platz finden, um hineinzustürmen und schnell zu verdunsten, was das Kristallwachstum sehr langsam macht.

Aber bei höheren Temperaturen wird die Eisoberfläche ungeordneter, mit vielen Stufen. Dampfmoleküle finden leicht ihren Platz auf den Stufen und Kristalle wachsen schnell.

„Wir haben festgestellt, dass diese Änderung nicht allmählich erfolgte, sondern aufgrund eines sehr spezifischen Übergangs, der als topologischer Übergang bezeichnet wird. Aber was das Eis noch ungewöhnlicher machte, war, dass plötzlich, als die äußere Hülle des Kristalls schmolz, die Oberfläche wieder glatter und unordentlicher war“, sagte Noah.

Wenn es wieder sehr glatt wird, wird das Kristallwachstum auf dieser Seite des Kristalls sehr langsam, aber nicht auf der anderen Seite. Plötzlich wachsen einige schnell, andere langsam, und die Form der Kristalle ändert sich, wie Nakatani vor mehr als 90 Jahren in Experimenten beobachtete.

Simulation in MareNostrum

Da Eis eine komplexe Substanz ist, die aufgrund ihrer schnellen Verdunstung experimentell untersucht werden muss, wurden acht Monate lang Simulationen auf dem größten Computer Spaniens, MareNostrum (BSC-CNS), durchgeführt.

„Die Rechenarbeit hat es uns ermöglicht, den Weg jedes Wassermoleküls zu bestimmen, das den Kristall bildet; Aber um einen kleinen Kristall zu bilden, benötigen wir natürlich Hunderttausende von Molekülen, daher ist der Rechenaufwand für diese Studie enorm. sagt Llombart Say.

González MacDowell schloss, dass diese Ergebnisse „sehr interessant sind, aber wissenschaftliche Forschung immer durch neue Berechnungen und Validierungen bestätigt werden muss. Trotz dieser Vorsicht freuen wir uns, dass unsere Bemühungen in Form interessanter Ergebnisse Früchte getragen haben, denn es bedurfte vieler erfolgloser Versuche, eine Finanzierung zu erhalten.“

Außerdem erinnert der Chemiker daran, dass atmosphärische Schneekristalle eine wichtige Rolle bei der Erderwärmung spielen: „Um die Auswirkungen auf den Klimawandel zu verstehen, müssen wir seine Form und Wachstumsrate verstehen. Unser besseres Verständnis ermöglicht es uns also, ein weiteres Stück in das Multi-Millionen-Dollar-Puzzle einzufügen."

Ich hoffe, dass Sie mit diesen Informationen mehr über Eiskristalle und ihre Eigenschaften erfahren können.