ل גבישי קרח הם תמיד היו מושא למחקר של מדענים בהתחשב בצורתם המיוחדת והמדהימה. אם נסתכל עליהם במיקרוסקופ נוכל לראות שיש להם צורות גיאומטריות מרהיבות וזה מדהים מדוע צורות גיאומטריות אלו נוצרות בטבע.
במאמר זה אנו הולכים לספר לכם מהן המסקנות של מחקרים שונים הקשורים לגבישי קרח ומה התגלה עד היום.
היווצרות גבישי קרח
הצורה הסימטרית ביותר נובעת מצמיחת המאגר, שבו מים מושקעים ישירות על גבישי קרח ומתאדים. בהתאם לטמפרטורת הסביבה ולחות, גבישי קרח יכולים להתפתח מהמנסרות המשושה הראשוניות בדרכים סימטריות רבות. הצורות האפשריות של גבישי קרח הן עמודות, בצורת מחט, בצורת לוח ודנדריטי. אם הגביש נודד לאזור של תנאים סביבתיים שונים, מצב הצמיחה עשוי להשתנות והגביש הסופי עשוי להראות מצבים מעורבים.
גבישי קרח נוטים ליפול כשהצירים הארוכים שלהם מיושרים אופקית, ולכן נראים במכ"מי מזג אוויר פולארימטריים עם ערכי החזר דיפרנציאלי משופרים (חיוביים). טעינת גבישי קרח עלולה לגרום ליישורים שאינם אופקיים. מכ"ם מזג אוויר מקוטב יכול גם לזהות גבישי קרח טעונים היטב. הטמפרטורה והלחות קובעות צורות גבישים שונות. גבישי קרח אחראים למספר ביטויים אופטיים אטמוספריים.
עננים קפואים עשויים מגבישי קרח, במיוחד ענני צירוס וערפל מקפיא. גבישי קרח בטרופוספירה גורמים לשמים הכחולים להפוך מעט ללבנים, מה שיכול להיות סימן לחזית מתקרבת (וגשם) כאשר אוויר לח עולה וקופא לגבישי קרח.
בטמפרטורה ולחץ רגילים, מולקולות מים הן בצורת V ושני אטומי מימן קשורים לאטומי חמצן בזווית של 105°. גבישי קרח נפוצים הם סימטריים ומשושים
כאשר נדחסים בין שתי שכבות של גרפן, נוצרים גבישי קרח מרובעים בטמפרטורת החדר. החומר הוא פאזה חדשה של גביש קרח שמתחבר עם 17 קרחונים אחרים. המחקר נמשך מגילוי מוקדם יותר שאדי מים ומים נוזליים יכולים לעבור דרך יריעות של תחמוצת גרפן למינציה, בניגוד למולקולות קטנות יותר כמו הליום. ההשפעה הזו מונעת על ידי כוחות ואן דר ואלס, שיכולים להיות כרוכים בלחצים העולה על 10.000 אטמוספרות.
מחקרים על גבישי קרח
סימולציות שבוצעו במחשב העל MareNostrum בברצלונה על ידי חוקרים מה-CSIC ומאוניברסיטת Complutense של מדריד אישרו שהמפתח לצמיחה המוזרה של גבישי קרח טמון במבנה פני השטח שלהם.
משטחי קרח יכולים להיות בשלושה מצבים שונים, עם דרגות שונות של אי סדר. מעברים מאחד לשני יוצרים שינויים פתאומיים ב קצבי הצמיחה עם עליית הטמפרטורות ומסבירים את הדרכים השונות (משוטח, משושה או שניהם) מקרח או גבישי שלג באטמוספירה.
המפתח לשינויים ולצמיחה של גבישים ספציפיים הוא מבנה פני השטח שלהם. מחקר שנערך על ידי החוקרים לואיס גונזלס מקדואל מאוניברסיטת קומפלוטנס של מדריד (UCM), אווה נויה ממכון רוקה סולאנו לכימיה פיזיקלית (IQFR) של הנציב העליון למחקר מדעי ופבלו לומברט משני המוסדות מדגים זאת במידת מה. . המאמר פורסם בכתב העת Science Advances.
"הסיבה לשינוי הזה הייתה בגדר תעלומה עד עכשיו", אומר גונזלס מקדואל, ונזכר שהחוקר היפני Ukichiro Nakaya גילה בשנות ה-1930 את גבישי הקרח הקטנים ביותר, הנקראים אבק יהלומים, בצורת פריזמה משושה. מנסרות אלה יכולות להיות שטוחות, כמו לכסנית, או מוארכות, כמו עיפרון או מנסרה משושה, ויכולות להפוך מצורה אחת לאחרת בטמפרטורה מסוימת.
סימולציות
החוקרים הבחינו כי בטמפרטורות נמוכות, פני הקרח היו חלקים ומסודרים יחסית. כאשר מולקולות האדים מתנגשות עם פני השטח, הם לא מוצאים מקום למהר אליו ומתאדים במהירות, מה שהופך את צמיחת הגביש לאט מאוד.
אבל בטמפרטורות גבוהות יותר, פני הקרח הופכים לא מסודרים יותר, עם שלבים רבים. מולקולות אדים יכולות למצוא את מקומן בקלות על המדרגות והגבישים גדלים במהירות.
"ראינו שהשינוי הזה לא היה הדרגתי, אלא התרחש עקב מעבר מאוד ספציפי שנקרא מעבר טופולוגי. אבל מה שהפך את הקרח ליותר חריג היה שפתאום, כשהקליפה החיצונית של הגביש נמסה, פני השטח שוב חלקים ומבולגנים יותר", אמר נוח.
כאשר הוא חוזר להיות חלק מאוד, צמיחת הגבישים נעשית איטית מאוד בצד ההוא של הגביש, אך לא בצד השני. פתאום חלקם גדלים מהר, אחרים גדלים לאט, וצורת הגבישים משתנה, כפי שצפה Nakatani בניסויים לפני יותר מ-90 שנה.
סימולציה ב-MareNostrum
בהתחשב בכך שקרח הוא חומר מורכב שצריך לחקור באמצעות טכניקות ניסוי בשל האידוי המהיר שלו, סימולציות בוצעו במשך שמונה חודשים במחשב הגדול ביותר בספרד, MareNostrum (BSC-CNS).
"העבודה החישובית אפשרה לנו לקבוע את הנתיב של כל מולקולת מים שיוצרת את הגביש; אבל כמובן, כדי ליצור גביש קטן, אנחנו צריכים מאות אלפי מולקולות, אז כמות החישוב הנדרשת כדי לבצע את המחקר הזה היא עצומה. אומר לומברט סיי.
גונזלס מקדואל הגיע למסקנה כי התוצאות הללו "מעניינות מאוד, אבל מחקר מדעי תמיד צריך להיות מאושש על ידי חישובים ואימותים חדשים. למרות זהירות זו, אנו שמחים שהמאמצים שלנו נשאו פרי בדמות תוצאות מעניינות, כי נדרשו ניסיונות רבים כושלים כדי להשיג מימון".
בנוסף, הכימאי נזכר שגבישי שלג אטמוספריים ממלאים תפקיד חשוב בהתחממות הגלובלית: "כדי להבין את ההשפעה על שינויי האקלים, עלינו להבין את צורתו וקצב הצמיחה שלו. אז ההבנה הטובה יותר שלנו מאפשרת לנו לשים עוד חלק בפאזל של מיליוני דולרים".
אני מקווה שבעזרת המידע הזה תוכלו ללמוד עוד על גבישי קרח והמאפיינים שלהם.
יש להעריך את הנושאים המעניינים והמדהימים שאמא הטבע שלנו מציגה לנו, שכן הם מספקים לנו ידע שהדמיון נהנה ממנו... כל כך נעים להתבונן בגבישי הקרח הדומים ליצירת אמנות... שלום רב