Jégkristályok

sok jégkristályok Különös és feltűnő formájuk miatt mindig is a tudósok vizsgálatának tárgyát képezték. Ha mikroszkóp alatt nézzük őket, láthatjuk, hogy látványos geometriai formák vannak, és feltűnő, hogy ezek a geometriai formák miért keletkeznek a természetben.

Ebben a cikkben elmondjuk, milyen következtetéseket vontak le a jégkristályokkal kapcsolatos különféle tanulmányok, és mit fedeztek fel a mai napig.

jégkristályok képződése

A rendkívül szimmetrikus forma a tározónövekedésnek köszönhető, ahol a víz közvetlenül a jégkristályokra rakódik és elpárolog. A környezeti hőmérséklettől és páratartalomtól függően a kezdeti hatszögletű prizmákból sok szimmetrikus módon jégkristályok fejlődhetnek ki. A jégkristályok lehetséges alakja oszlopos, tű alakú, lemez alakú és dendrites. Ha a kristály különböző környezeti feltételekkel rendelkező régióba vándorol, a növekedési mód megváltozhat, és a végső kristály vegyes módokat mutathat.

A jégkristályok hajlamosak a vízszintes tengelyű hosszúságú tengelyekkel zuhanni, így láthatók a polarimetriás időjárási radaron, fokozott (pozitív) differenciális reflexiós értékekkel. A jégkristályok terhelése a vízszintestől eltérő beállítást is okozhat. A polarizált időjárási radar a töltött jégkristályokat is jól érzékeli. A hőmérséklet és a páratartalom számos különböző kristályformát meghatároz. A jégkristályok számos légköri optikai megnyilvánulásért felelősek.

A fagyott felhők jégkristályokból állnak, különösen a pehelyfelhők és a fagyos köd. A troposzférában lévő jégkristályok hatására a kék ég enyhén kifehéredik, ami a közeledő front (és az eső) jele lehet, ahogy a nedves levegő felfelé emelkedik és jégkristályokká fagy.

Normál hőmérsékleten és nyomáson, A vízmolekulák V alakúak, és két hidrogénatom 105°-os szögben kapcsolódik az oxigénatomokhoz. A gyakori jégkristályok szimmetrikusak és hatszögletűek

Ha két grafénréteg között összenyomjuk, szobahőmérsékleten négyzet alakú jégkristályok képződnek. Az anyag egy új jégkristály fázis, amely 17 másik jéggel kombinálódik. A kutatás egy korábbi felfedezés eredménye, amely szerint a vízgőz és a folyékony víz áthatol a laminált grafén-oxid lapokon, ellentétben a kisebb molekulákkal, például a héliummal. Ezt a hatást a van der Waals erők okozzák, amelyek 10.000 XNUMX atmoszférát meghaladó nyomást is magukban foglalhatnak.

jégkristályokkal kapcsolatos tanulmányok

A CSIC és a Madridi Complutense Egyetem kutatói által a barcelonai MareNostrum szuperszámítógépen végzett szimulációk megerősítették, hogy a jégkristályok furcsa növekedésének kulcsa a felszíni szerkezetükben rejlik.

A jégfelületek három különböző állapotúak lehetnek, különböző mértékű rendezetlenséggel. Az egyikről a másikra való átjárások hirtelen változásokat idéznek elő növekedési üteme a hőmérséklet emelkedésével, és megmagyarázza a különböző módokat (lapított, hatszögletű vagy mindkettő) a légkörben lévő jég- vagy hókristályokból.

Ezeknek a specifikus kristályváltozásoknak és növekedésnek a kulcsa a felületi szerkezetük. Luis González MacDowell, a Madridi Complutense Egyetem (UCM), Eva Noya, a Tudományos Kutatási Főbiztosság Rocca Solano Fizikai Kémiai Intézetének (IQFR) kutatói és Pablo Llombart, mindkét intézmény kutatói által végzett tanulmány némileg bizonyítja ezt. . A cikk a Science Advances folyóiratban jelent meg.

"A változás oka eddig rejtély volt" - mondja González MacDowell, emlékeztetve arra, hogy Ukichiro Nakaya japán kutató az 1930-as években fedezte fel a legkisebb jégkristályokat, az úgynevezett gyémántporokat, amelyek hatszögletű prizma alakúak. Ezek a prizmák lehetnek laposak, mint egy pasztilla, vagy hosszúkásak, mint egy ceruza vagy hatszögletű prizma, és adott hőmérsékleten átalakulhatnak egyik alakból a másikba.

Szimulációk

A kutatók megfigyelték, hogy alacsony hőmérsékleten a jégfelület sima és viszonylag rendezett volt. Amikor a gőzmolekulák a felülettel ütköznek, nem találnak hová rohanni, és gyorsan elpárolognak, ami nagyon lelassítja a kristálynövekedést.

Magasabb hőmérsékleten azonban a jégfelület rendezetlenebbé válik, sok lépéssel. A gőzmolekulák könnyen megtalálják a helyüket a lépcsőkön, és a kristályok gyorsan növekednek.

"Megfigyeltük, hogy ez a változás nem fokozatos, hanem egy nagyon specifikus átmenetnek köszönhető, amelyet topológiai átmenetnek neveznek. De ami még szokatlanabbá tette a jeget, az az volt, hogy hirtelen, amikor a kristály külső héja megolvadt, a felület ismét simább és szennyezettebb lesz” – mondta Noah.

Amikor ismét nagyon sima lesz, a kristálynövekedés nagyon lelassul a kristály azon oldalán, de a másik oldalon nem. Hirtelen egyesek gyorsan, mások lassan nőnek, és a kristályok alakja megváltozik, ahogy Nakatani több mint 90 évvel ezelőtti kísérletekben megfigyelte.

Szimuláció a MareNostrumban

Tekintettel arra, hogy a jég egy összetett anyag, amelyet gyors párolgása miatt kísérleti technikákkal kell tanulmányozni, nyolc hónapja végeztek szimulációkat Spanyolország legnagyobb számítógépén, a MareNostrumon (BSC-CNS).

„A számítási munka lehetővé tette számunkra, hogy meghatározzuk a kristályt alkotó minden egyes vízmolekula útját; de természetesen egy kis kristály kialakításához több százezer molekulára van szükségünk, ezért a tanulmány elvégzéséhez szükséges számítási mennyiség óriási. mondja Llombart Say.

González MacDowell arra a következtetésre jutott, hogy ezek az eredmények „nagyon érdekesek, de a tudományos kutatásokat mindig új számításokkal és validációkkal kell megerősíteni. Ennek az óvatosságnak ellenére örülünk, hogy erőfeszítéseink érdekes eredményekkel jártak, mert sok sikertelen próbálkozás kellett a finanszírozás megszerzéséhez.”

Ezenkívül a vegyész emlékeztet arra, hogy a légköri hókristályok fontos szerepet játszanak a globális felmelegedésben: „Ahhoz, hogy megértsük az éghajlatváltozásra gyakorolt ​​hatást, meg kell értenünk annak alakját és növekedési ütemét. Jobb megértésünk lehetővé teszi, hogy még egy darabot helyezzünk el a több millió dolláros kirakóba."

Remélem, hogy ezen információk birtokában többet megtudhat a jégkristályokról és tulajdonságaikról.