Κρύσταλλοι πάγου

Ο κρύσταλλοι πάγου Αποτελούσαν πάντα αντικείμενο μελέτης επιστημόνων λόγω του ιδιόμορφου και εντυπωσιακού τους σχήματος. Αν τα δούμε κάτω από ένα μικροσκόπιο, μπορούμε να δούμε ότι έχουν θεαματικά γεωμετρικά σχήματα και είναι εντυπωσιακό γιατί αυτά τα γεωμετρικά σχήματα δημιουργούνται στη φύση.

Σε αυτό το άρθρο θα σας πούμε ποια είναι τα συμπεράσματα διαφόρων μελετών που σχετίζονται με τους κρυστάλλους πάγου και τι έχει ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα.

σχηματισμός κρυστάλλων πάγου

Το εξαιρετικά συμμετρικό σχήμα οφείλεται στην ανάπτυξη της δεξαμενής, όπου το νερό εναποτίθεται απευθείας στους κρυστάλλους πάγου και εξατμίζεται. Ανάλογα με τη θερμοκρασία και την υγρασία του περιβάλλοντος, Οι παγοκρύσταλλοι μπορούν να αναπτυχθούν από τα αρχικά εξαγωνικά πρίσματα με πολλούς συμμετρικούς τρόπους. Τα πιθανά σχήματα των κρυστάλλων πάγου είναι στηλοειδή, σε σχήμα βελόνας, σε σχήμα πλάκας και δενδριτικά. Εάν ο κρύσταλλος μεταναστεύσει σε μια περιοχή διαφορετικών περιβαλλοντικών συνθηκών, ο τρόπος ανάπτυξης μπορεί να αλλάξει και ο τελικός κρύσταλλος μπορεί να εμφανίσει μικτές λειτουργίες.

Οι κρύσταλλοι πάγου τείνουν να πέφτουν με τους μακριούς άξονές τους ευθυγραμμισμένους οριζόντια, και έτσι είναι ορατοί σε πολωσιμετρικά ραντάρ καιρού με βελτιωμένες (θετικές) τιμές διαφορικής ανάκλασης. Η φόρτωση κρυστάλλων πάγου μπορεί να προκαλέσει ευθυγραμμίσεις εκτός από οριζόντιες. Το πολωμένο ραντάρ καιρού μπορεί επίσης να ανιχνεύσει καλά φορτισμένους κρυστάλλους πάγου. Η θερμοκρασία και η υγρασία καθορίζουν πολλές διαφορετικές μορφές κρυστάλλων. Οι παγοκρύσταλλοι είναι υπεύθυνοι για αρκετές ατμοσφαιρικές οπτικές εκδηλώσεις.

Τα παγωμένα σύννεφα είναι φτιαγμένα από κρυστάλλους πάγου, ιδιαίτερα από σύννεφα κίρους και παγωμένη ομίχλη. Οι κρύσταλλοι πάγου στην τροπόσφαιρα κάνουν τον γαλάζιο ουρανό να γίνει ελαφρώς λευκός, κάτι που θα μπορούσε να είναι σημάδι ενός μετώπου που πλησιάζει (και βροχής) καθώς ο υγρός αέρας ανεβαίνει και παγώνει σε κρυστάλλους πάγου.

Σε κανονική θερμοκρασία και πίεση, Τα μόρια του νερού έχουν σχήμα V και δύο άτομα υδρογόνου συνδέονται με άτομα οξυγόνου υπό γωνία 105°. Οι κοινοί κρύσταλλοι πάγου είναι συμμετρικοί και εξαγωνικοί

Όταν συμπιέζονται μεταξύ δύο στρωμάτων γραφενίου, σχηματίζονται τετράγωνοι κρύσταλλοι πάγου σε θερμοκρασία δωματίου. Το υλικό είναι μια νέα φάση κρυστάλλου πάγου που συνδυάζεται με άλλους 17 πάγους. Η έρευνα ακολουθεί μια προηγούμενη ανακάλυψη ότι οι υδρατμοί και το υγρό νερό μπορούν να περάσουν μέσα από φύλλα πολυστρωματικού οξειδίου του γραφενίου, σε αντίθεση με μικρότερα μόρια όπως το ήλιο. Αυτό το φαινόμενο θεωρείται ότι καθοδηγείται από δυνάμεις van der Waals, οι οποίες μπορεί να περιλαμβάνουν πιέσεις άνω των 10.000 ατμοσφαιρών.

μελέτες για τους κρυστάλλους πάγου

Οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν στον υπερυπολογιστή MareNostrum στη Βαρκελώνη από ερευνητές από το CSIC και το Πανεπιστήμιο Complutense της Μαδρίτης επιβεβαίωσαν ότι το κλειδί για την παράξενη ανάπτυξη των κρυστάλλων πάγου βρίσκεται στη δομή της επιφάνειάς τους

Οι επιφάνειες πάγου μπορεί να βρίσκονται σε τρεις διαφορετικές καταστάσεις, με διάφορους βαθμούς αταξίας. Τα περάσματα από το ένα στο άλλο δημιουργούν απότομες αλλαγές ρυθμούς ανάπτυξης καθώς αυξάνονται οι θερμοκρασίες και εξηγούν τους διαφορετικούς τρόπους (πεπλατυσμένο, εξαγωνικό ή και τα δύο) από κρυστάλλους πάγου ή χιονιού στην ατμόσφαιρα.

Το κλειδί για αυτές τις συγκεκριμένες κρυσταλλικές αλλαγές και ανάπτυξη είναι η δομή της επιφάνειας τους. Μια μελέτη που διεξήχθη από τους ερευνητές Luis González MacDowell από το Πανεπιστήμιο Complutense της Μαδρίτης (UCM), την Eva Noya από το Ινστιτούτο Φυσικής Χημείας Rocca Solano (IQFR) του Ύπατου Αρμοστή για την Επιστημονική Έρευνα και τον Pablo Llombart και από τα δύο ιδρύματα καταδεικνύει κάπως αυτό. . Το άρθρο δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science Advances.

«Ο λόγος για αυτήν την αλλαγή ήταν ένα μυστήριο μέχρι τώρα», λέει ο González MacDowell, υπενθυμίζοντας ότι ο Ιάπωνας ερευνητής Ukichiro Nakaya ανακάλυψε τη δεκαετία του 1930 τους μικρότερους κρυστάλλους πάγου, που ονομάζονταν σκόνη διαμαντιού, σε σχήμα εξαγωνικού πρίσματος. Αυτά τα πρίσματα μπορεί να είναι επίπεδα, σαν παστίλια, ή επιμήκη, σαν μολύβι ή εξαγωνικό πρίσμα, και μπορούν να μεταμορφωθούν από το ένα σχήμα στο άλλο σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία.

Προσομοιώσεις

Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι σε χαμηλές θερμοκρασίες, η επιφάνεια του πάγου ήταν λεία και σχετικά τακτοποιημένη. Όταν τα μόρια του ατμού συγκρούονται με την επιφάνεια, δεν βρίσκουν μέρος να βιαστούν και εξατμίζονται γρήγορα, που κάνει την ανάπτυξη των κρυστάλλων πολύ αργή.

Αλλά σε υψηλότερες θερμοκρασίες, η επιφάνεια του πάγου γίνεται πιο άτακτη, με πολλά βήματα. Τα μόρια ατμού μπορούν εύκολα να βρουν τη θέση τους στα σκαλοπάτια και οι κρύσταλλοι μεγαλώνουν γρήγορα.

«Παρατηρήσαμε ότι αυτή η αλλαγή δεν ήταν σταδιακή, αλλά συνέβη λόγω μιας πολύ συγκεκριμένης μετάβασης που ονομάζεται τοπολογική μετάβαση. Αλλά αυτό που έκανε τον πάγο ακόμα πιο ασυνήθιστο ήταν ότι ξαφνικά, όταν το εξωτερικό κέλυφος του κρυστάλλου έλιωσε, η επιφάνεια είναι και πάλι πιο λεία και πιο ακατάστατη», είπε ο Noah.

Όταν ξαναγίνει πολύ ομαλό, η ανάπτυξη των κρυστάλλων γίνεται πολύ αργή σε εκείνη την πλευρά του κρυστάλλου, αλλά όχι στην άλλη πλευρά. Ξαφνικά κάποιοι μεγαλώνουν γρήγορα, άλλοι μεγαλώνουν αργά και το σχήμα των κρυστάλλων αλλάζει, όπως παρατήρησε ο Nakatani σε πειράματα πριν από περισσότερα από 90 χρόνια.

Προσομοίωση στο MareNostrum

Δεδομένου ότι ο πάγος είναι μια πολύπλοκη ουσία που πρέπει να μελετηθεί με τη χρήση πειραματικών τεχνικών λόγω της ταχείας εξάτμισής του, έχουν πραγματοποιηθεί προσομοιώσεις για οκτώ μήνες στον μεγαλύτερο υπολογιστή στην Ισπανία, τον MareNostrum (BSC-CNS).

«Η υπολογιστική εργασία μας επέτρεψε να προσδιορίσουμε τη διαδρομή κάθε μορίου νερού που σχηματίζει τον κρύσταλλο. αλλά φυσικά, για να σχηματίσουμε έναν μικρό κρύσταλλο, χρειαζόμαστε εκατοντάδες χιλιάδες μόρια, επομένως ο όγκος υπολογισμού που απαιτείται για να γίνει αυτή η μελέτη είναι τεράστιος. λέει ο Llombart Say.

Ο González MacDowell κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αυτά τα αποτελέσματα είναι «πολύ ενδιαφέροντα, αλλά η επιστημονική έρευνα πρέπει πάντα να επιβεβαιώνεται από νέους υπολογισμούς και επικυρώσεις. Παρά αυτή την προσοχή, είμαστε ικανοποιημένοι που οι προσπάθειές μας απέφεραν καρπούς με τη μορφή ενδιαφέροντων αποτελεσμάτων, επειδή χρειάστηκαν πολλές ανεπιτυχείς προσπάθειες για να λάβουμε χρηματοδότηση».

Επιπλέον, ο χημικός υπενθυμίζει ότι οι ατμοσφαιρικοί κρύσταλλοι χιονιού παίζουν σημαντικό ρόλο στην υπερθέρμανση του πλανήτη:Για να κατανοήσουμε τον αντίκτυπο στην κλιματική αλλαγή, πρέπει να κατανοήσουμε τη μορφή και τον ρυθμό ανάπτυξής της. Έτσι, η καλύτερη κατανόησή μας μας επιτρέπει να βάλουμε ένα άλλο κομμάτι στο παζλ των πολλών εκατομμυρίων δολαρίων».

Ελπίζω ότι με αυτές τις πληροφορίες μπορείτε να μάθετε περισσότερα για τους παγοκρυστάλλους και τα χαρακτηριστικά τους.