Ledus kristāli

L ledus kristāli Tie vienmēr ir bijuši zinātnieku izpētes objekts, ņemot vērā to savdabīgo un pārsteidzošo formu. Ja mēs skatāmies uz tām mikroskopā, mēs varam redzēt, ka tiem ir iespaidīgas ģeometriskas formas, un ir pārsteidzoši, kāpēc šīs ģeometriskās formas tiek radītas dabā.

Šajā rakstā mēs jums pastāstīsim, kādi ir dažādu ar ledus kristāliem saistītu pētījumu secinājumi un kas līdz šim ir atklāts.

ledus kristālu veidošanās

Ļoti simetriskā forma ir saistīta ar rezervuāra augšanu, kur ūdens tiek nogulsnēts tieši uz ledus kristāliem un iztvaiko. Atkarībā no apkārtējās vides temperatūras un mitruma, ledus kristāli var attīstīties no sākotnējām sešstūra prizmām daudzos simetriskos veidos. Iespējamās ledus kristālu formas ir kolonnas, adatas, plākšņu formas un dendrītiskas. Ja kristāls migrē uz reģionu, kurā ir dažādi vides apstākļi, augšanas režīms var mainīties un gala kristāls var parādīt dažādus režīmus.

Ledus kristāliem ir tendence krist ar to garajām asīm, kas ir izlīdzinātas horizontāli, un tādējādi tie ir redzami polarimetriskajos laikapstākļu radaros ar uzlabotām (pozitīvām) diferenciālās atstarošanas vērtībām. Ledus kristālu slodze var izraisīt izlīdzinājumu, kas nav horizontāls. Polarizētais laikapstākļu radars var labi noteikt arī uzlādētus ledus kristālus. Temperatūra un mitrums nosaka daudzas dažādas kristāla formas. Ledus kristāli ir atbildīgi par vairākām atmosfēras optiskām izpausmēm.

Sasalušus mākoņus veido ledus kristāli, īpaši spalvu mākoņi un stindzinoša migla. Ledus kristāli troposfērā liek zilām debesīm kļūt nedaudz baltas, kas varētu liecināt par frontes tuvošanos (un lietus), jo mitrais gaiss paceļas augšup un sasalst ledus kristālos.

Normālā temperatūrā un spiedienā, ūdens molekulas ir V-veida un divi ūdeņraža atomi ir saistīti ar skābekļa atomiem 105° leņķī. Parastie ledus kristāli ir simetriski un sešstūraini

Saspiežot starp diviem grafēna slāņiem, istabas temperatūrā veidojas kvadrātveida ledus kristāli. Materiāls ir jauna ledus kristāla fāze, kas apvienojas ar 17 citiem lediem. Pētījums izriet no agrāka atklājuma, ka ūdens tvaiki un šķidrs ūdens var iziet cauri laminēta grafēna oksīda loksnēm atšķirībā no mazākām molekulām, piemēram, hēlija. Tiek uzskatīts, ka šo efektu veicina van der Vālsa spēki, kas var ietvert spiedienu, kas pārsniedz 10.000 XNUMX atmosfēru.

pētījumi par ledus kristāliem

Simulācijas, ko MareNostrum superdatorā Barselonā veica pētnieki no CSIC un Madrides Complutense universitātes, ir apstiprinājuši, ka ledus kristālu dīvainās augšanas atslēga slēpjas to virsmas struktūrā.

Ledus virsmas var būt trīs dažādos stāvokļos ar dažādu nekārtības pakāpi. Pārejas no viena uz otru rada pēkšņas izmaiņas augšanas ātrumu, paaugstinoties temperatūrai, un izskaidro dažādus veidus (saplacināts, sešstūrains vai abi) no ledus vai sniega kristāliem atmosfērā.

Šo specifisko kristālu izmaiņu un augšanas atslēga ir to virsmas struktūra. Pētījums, ko veica pētnieki Luis González MacDowell no Madrides Complutense universitātes (UCM), Eva Noya no Rocca Solano Fizikālās ķīmijas institūta (IQFR) Augstā zinātniskās pētniecības komisāra un Pablo Llombart no abām iestādēm to pierāda. . Raksts tika publicēts žurnālā Science Advances.

"Šo izmaiņu iemesls līdz šim ir bijis noslēpums," saka Gonsaless Makdauels, atgādinot, ka japāņu pētnieks Ukičiro Nakaja pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados atklāja mazākos ledus kristālus, ko sauca par dimanta putekļiem, kas veidoti kā sešstūra prizma. Šīs prizmas var būt plakanas, piemēram, pastila, vai iegarenas, piemēram, zīmulis vai sešstūra prizma, un var pārveidoties no vienas formas uz citu noteiktā temperatūrā.

Simulācijas

Pētnieki novēroja, ka zemā temperatūrā ledus virsma bija gluda un samērā sakārtota. Kad tvaika molekulas saduras ar virsmu, viņi nevar atrast vietu, kur steigties iekšā un ātri iztvaikot, kas padara kristāla augšanu ļoti lēnu.

Bet pie augstākām temperatūrām ledus virsma kļūst nesakārtotāka, ar daudzām pakāpēm. Tvaika molekulas var viegli atrast savu vietu uz pakāpieniem, un kristāli strauji aug.

"Mēs novērojām, ka šīs izmaiņas nebija pakāpeniskas, bet notika ļoti specifiskas pārejas dēļ, ko sauc par topoloģisko pāreju. Taču ledu padarīja vēl neparastāku tas, ka pēkšņi, kad kristāla ārējais apvalks izkusa, virsma atkal ir gludāka un netīrāka," sacīja Noa.

Kad tas atkal kļūst ļoti gluds, kristāla augšana kļūst ļoti lēna tajā kristāla pusē, bet ne otrā pusē. Pēkšņi daži aug ātri, citi aug lēni, un kristālu forma mainās, kā Nakatani novēroja eksperimentos pirms vairāk nekā 90 gadiem.

Simulācija programmā MareNostrum

Ņemot vērā, ka ledus ir sarežģīta viela, kas tā straujās iztvaikošanas dēļ ir jāpēta, izmantojot eksperimentālas metodes, astoņus mēnešus tika veiktas simulācijas Spānijas lielākajā datorā MareNostrum (BSC-CNS).

“Aprēķinu darbs ir ļāvis mums noteikt katras ūdens molekulas ceļu, kas veido kristālu; bet, protams, lai izveidotu nelielu kristālu, mums ir nepieciešami simtiem tūkstošu molekulu, tāpēc šī pētījuma veikšanai nepieciešamais aprēķinu apjoms ir milzīgs. saka Lombarts Sajs.

Gonsaless Makdauels secināja, ka šie rezultāti ir “ļoti interesanti, taču zinātniskie pētījumi vienmēr ir jāapstiprina ar jauniem aprēķiniem un apstiprinājumiem. Neskatoties uz šo piesardzību, esam gandarīti, ka mūsu pūliņi ir devuši augļus interesantu rezultātu veidā, jo bija nepieciešami daudzi neveiksmīgi mēģinājumi, lai iegūtu finansējumu.

Turklāt ķīmiķis atgādina, ka atmosfēras sniega kristāliem ir liela nozīme globālajā sasilšanā: “Lai saprastu ietekmi uz klimata pārmaiņām, mums ir jāsaprot to forma un izaugsmes temps. Tāpēc mūsu labāka izpratne ļauj mums vairāku miljonu dolāru mīklā ievietot vēl vienu gabalu."

Es ceru, ka ar šo informāciju jūs varat uzzināt vairāk par ledus kristāliem un to īpašībām.