Cristale de gheață

L cristale de gheață Ele au fost întotdeauna obiectul de studiu al oamenilor de știință, având în vedere forma lor deosebită și izbitoare. Dacă le privim la microscop putem vedea că au forme geometrice spectaculoase și este izbitor de ce aceste forme geometrice sunt generate în natură.

În acest articol urmează să vă spunem care sunt concluziile diferitelor studii legate de cristalele de gheață și ce s-a descoperit până în prezent.

formarea cristalelor de gheață

Forma extrem de simetrică se datorează creșterii rezervorului, în care apa se depune direct pe cristalele de gheață și se evaporă. În funcție de temperatura și umiditatea mediului ambiant, cristalele de gheață se pot dezvolta din prismele hexagonale inițiale în multe moduri simetrice. Formele posibile ale cristalelor de gheață sunt columnare, în formă de ac, în formă de placă și dendritice. Dacă cristalul migrează într-o regiune cu diferite condiții de mediu, modul de creștere se poate schimba, iar cristalul final poate prezenta moduri mixte.

Cristalele de gheață tind să cadă cu axele lor lungi aliniate orizontal și, astfel, sunt vizibile pe radarele meteorologice polarimetrice cu valori de reflectanță diferențială (pozitive) îmbunătățite. Încărcarea cu cristale de gheață poate provoca alte aliniamente decât orizontale. Radarul meteorologic polarizat poate detecta bine și cristalele de gheață încărcate. Temperatura și umiditatea determină multe forme diferite de cristal. Cristalele de gheață sunt responsabile pentru mai multe manifestări optice atmosferice.

Norii înghețați sunt formați din cristale de gheață, în special nori cirus și ceață înghețată. Cristalele de gheață din troposferă fac ca cerul albastru să devină ușor alb, ceea ce ar putea fi un semn al unui front care se apropie (și al ploii) pe măsură ce aerul umed se ridică și îngheață în cristale de gheață.

La temperatura si presiune normale, moleculele de apă au formă de V și doi atomi de hidrogen sunt legați de atomi de oxigen la un unghi de 105°. Cristalele de gheață comune sunt simetrice și hexagonale

Când sunt comprimate între două straturi de grafen, cristalele pătrate de gheață se formează la temperatura camerei. Materialul este o nouă fază de cristal de gheață care se combină cu alte 17 gheață. Cercetarea urmează unei descoperiri anterioare conform căreia vaporii de apă și apa lichidă pot trece prin foi de oxid de grafen laminat, spre deosebire de moleculele mai mici precum heliul. Se crede că acest efect este determinat de forțele van der Waals, care pot implica presiuni de peste 10.000 de atmosfere.

studii asupra cristalelor de gheață

Simulările efectuate pe supercomputerul MareNostrum din Barcelona de cercetătorii de la CSIC și de la Universitatea Complutense din Madrid au confirmat că cheia creșterii ciudate a cristalelor de gheață constă în structura lor de suprafață.

Suprafețele de gheață pot fi în trei stări diferite, cu grade diferite de dezordine. Trecerile de la unul la altul creează schimbări bruște în ratele de creștere pe măsură ce temperaturile cresc și explică diferitele moduri (aplatizată, hexagonală sau ambele) de la cristalele de gheață sau zăpadă din atmosferă.

Cheia acestor schimbări și creștere specifice cristalelor este structura lor de suprafață. Un studiu realizat de cercetătorii Luis González MacDowell de la Universitatea Complutense din Madrid (UCM), Eva Noya de la Institutul de Chimie Fizică Rocca Solano (IQFR) al Înaltului Comisar pentru Cercetare Științifică și Pablo Llombart de la ambele instituții demonstrează oarecum acest lucru. . Articolul a fost publicat în revista Science Advances.

„Motivul acestei schimbări a fost un mister până acum”, spune González MacDowell, amintind că cercetătorul japonez Ukichiro Nakaya a descoperit în anii 1930 cele mai mici cristale de gheață, numite praf de diamant, în formă de prismă hexagonală. Aceste prisme pot fi plate, ca o pastilă, sau alungite, ca un creion sau o prismă hexagonală și se pot transforma de la o formă la alta la o anumită temperatură.

Simulări

Cercetătorii au observat că la temperaturi scăzute, suprafața gheții era netedă și relativ ordonată. Când moleculele de vapori se ciocnesc cu suprafața, nu găsesc un loc în care să se grăbească și să se evapore rapid, ceea ce face ca creșterea cristalelor să fie foarte lentă.

Dar la temperaturi mai ridicate, suprafața gheții devine mai dezordonată, cu mulți pași. Moleculele de vapori își pot găsi cu ușurință locul pe trepte, iar cristalele cresc rapid.

„Am observat că această schimbare nu a fost treptată, ci a avut loc datorită unei tranziții foarte specifice numită tranziție topologică. Dar ceea ce a făcut gheața și mai neobișnuită a fost că dintr-o dată, când învelișul exterior al cristalului s-a topit, suprafața este din nou mai netedă și mai dezordonată”, a spus Noah.

Când devine din nou foarte netedă, creșterea cristalului devine foarte lentă pe acea parte a cristalului, dar nu și pe cealaltă parte. Dintr-o dată unii cresc repede, alții cresc încet, iar forma cristalelor se schimbă, după cum a observat Nakatani în experimente cu mai bine de 90 de ani în urmă.

Simulare în MareNostrum

Având în vedere că gheața este o substanță complexă care trebuie studiată folosind tehnici experimentale datorită evaporării sale rapide, timp de opt luni au fost efectuate simulări pe cel mai mare computer din Spania, MareNostrum (BSC-CNS).

„Lucrul de calcul ne-a permis să determinăm calea fiecărei molecule de apă care formează cristalul; dar, desigur, pentru a forma un mic cristal, avem nevoie de sute de mii de molecule, așa că cantitatea de calcul necesară pentru a face acest studiu este enormă. spune Llombart Say.

González MacDowell a concluzionat că aceste rezultate sunt „foarte interesante, dar cercetarea științifică trebuie întotdeauna confirmată prin noi calcule și validări. În ciuda acestei precauții, suntem încântați că eforturile noastre au dat roade sub formă de rezultate interesante, deoarece a fost nevoie de multe încercări nereușite pentru a obține finanțare.”

În plus, chimistul amintește că cristalele de zăpadă din atmosferă joacă un rol important în încălzirea globală: „Pentru a înțelege impactul asupra schimbărilor climatice, trebuie să înțelegem forma și rata de creștere a acestuia. Așa că înțelegerea noastră mai bună ne permite să punem o altă piesă în puzzle-ul de mai multe milioane de dolari.”

Sper că cu aceste informații puteți afla mai multe despre cristalele de gheață și caracteristicile lor.