Их исследование показывает это, когда водное замораживание капелек в облаках, структура ледяного кристалла – не обязательно классическая шестиугольная структура снежинки. Скорее более беспорядочная ледяная структура формируется более легко, чем шестиугольный лед при определенных условиях облака, позволяя водные капельки в облаках обратиться ко льду более быстро, чем ранее предсказанный. Работа урегулировала теоретические модели облаков с наблюдениями за замерзающими ставками.
Исследование опубликовано по своей природе.Почему вода замораживается
Даже в теплых климатах, осадки обычно начинаются с водных капелек в облаках, обращающихся ко льду. Почему? «Эти капельки жидкости могут вырасти до определенного размера», говорит Валерия Молинеро, преподаватель химии в Университете Юты, «но вырасти до размера, который является достаточно большим, что это может упасть с неба, эти капельки должны очень вырасти».Лучший способ вырасти состоит в том, чтобы обратиться ко льду. Небольшая атмосферная частица, названная аэрозолем, может начать процесс замораживания в охлажденной воде.
Или процесс может начаться спонтанно с небольшой областью заказанных молекул воды, появляющихся в капельке. Если тот «кристаллит» достаточно большой, то капелька может заморозиться и продолжить расти, таща в окружающем водяном паре. Процесс кристаллов, растущих от маленького ядра, называют образованием ядра.Преодоление барьера
Маленькие кристаллические ядра стоят перед барьером для роста. Из-за взаимодействий между маленьким телом и его жидкой средой, кристаллит должен вырасти до определенного размера, чтобы быть в состоянии продолжить расти и не просто таять. Изобразите холм. Если Вы выдвигаете скалу холм, но не делаете все это путем к вершине, скала откатывается назад вниз туда, где Вы начали.
Но если Вы выдвигаете его достаточно далеко, это катится по другой стороне. Вершина холма (названный свободным энергетическим барьером) устанавливает критический размер для того, чтобы продолжить выращивать кристаллит.
«Центр нашей статьи показывает то, что структура кристаллита наверху этого барьера и что является значением для темпа образования ядра», говорит Молинеро.Ранее, химики предположили, что структура льда наверху энергетического барьера была шестиугольной структурой, замеченной в снежинках (хотя снежинки намного больше, чем кристаллиты). Это – очень стабильная структура. «Предположение, что это шестиугольное, является более интуитивным», говорит Лаура Лупи, постдокторский ученый и первый автор на бумаге Природы.Смешанный слоеный торт
Предыдущие моделирования нашли, что при некоторых условиях облака, однако, кристаллиты с беспорядочной структурой были более привилегированными. Эти «укладка, приведенная в беспорядок» структуры, является смесью слоеного торта молекул, которые не приспосабливаются или к шестиугольной или к кубической кристаллической структуре. В их исследовании Лупи и Молинеро нашли, что при температуре 230 K или-45 градусах Farenheit, свободный энергетический барьер для приведенного в беспорядок кристаллита укладки на 14 кДж/молекулярные массы меньше, чем это для шестиугольного льда. Другими словами, беспорядочный лед имеет «холм», намного меньший, чем шестиугольный лед, и формируется приблизительно в 2,000 раз быстрее.
Это помогает средствам моделирования облака понять лучше свои наблюдательные данные относительно замерзающих ставок в облаках. Предыдущие модели образования ядра, используя шестиугольный лед не могли захватить все поведение облака, потому что те модели экстраполировали темпы образования ядра через температуры облака, не понимая воздействий температуры на тех ставках. Лупи и исследование Молинеро начинают исправлять те модели. «Темпы ледяного образования ядра могут только быть измерены в очень узком ассортименте температур», говорит Молинеро, «и это чрезвычайно сложно, чтобы экстраполировать их, чтобы понизить температуры, которые важны для облаков, но недоступны экспериментам».На основании их размера снежинки более стабильны как шестиугольный лед, говорят Лупи и Молинеро.
Их результаты только относятся к очень маленьким кристаллитам. Лупи говорит, что их работа может помочь средствам моделирования облака создать более точные модели фазы воды в облаках. «Если у Вас есть столько водных капелек при определенной температуре, Вы хотите предсказать, сколько превратится в ледяные капельки», говорит она. Лучшие модели облака могут привести к лучшим соглашениям того, как облака отражают тепло и производят осадки.Молинеро говорит, что их работа улучшает фундаментальное понимание того, как быстро водный лед форм – процесс, который теряет значение в облаках и морозильниках каждый день.
И это – процесс, не мгновенное событие, добавляет Молинеро. «Преобразование не состоит просто в том, что Вы понижаетесь ноль и вот именно», говорит она. «Есть уровень, по которому переход происходит, управляемый барьером образования ядра. И барьер ниже, чем ранее ожидаемый».