Hvordan is i skyer fødes

Noget næsten magisk sker, når du lægger en bakke fuld af sloshing, flydende vand i en fryser, og det kommer senere ud som et stift, fast iskrystal. Kemikere ved University of Utah har trukket forhænget lidt mere tilbage om fryseprocessen, især i skyer.

Deres forskning viser, at når vanddråber fryser i skyer, iskrystalets struktur er ikke nødvendigvis den klassiske sekskantede snefnugstruktur. Hellere, en mere uordnet isstruktur dannes lettere end sekskantet is under visse skyforhold, tillader vanddråberne i skyer hurtigere at blive til is end tidligere forudsagt. Værket forener teoretiske modeller af skyer med observationer af frysepriser. Undersøgelsen er offentliggjort i Natur .

Hvorfor fryser vand

Selv i varme klimaer, nedbør starter normalt med vanddråber i skyer, der bliver til is. Hvorfor? "Disse dråber væske kan vokse til en vis størrelse, "siger Valeria Molinero, kemiprofessor ved University of Utah, "men for at vokse til en størrelse, der er stor nok til, at den kan falde ned fra himlen, disse dråber skal vokse meget større. "

Den bedste måde at vokse sig større på er at vende sig til is. En lille atmosfærisk partikel, kaldet en aerosol, kan starte fryseprocessen i kølet vand. Eller processen kan starte spontant, med en lille region af ordnede vandmolekyler, der forekommer i dråben. Hvis denne "krystallit" er stor nok, så kan dråben fryse og fortsætte med at vokse ved at trække i den omgivende vanddamp. Processen med krystaller, der vokser fra en lille kerne, kaldes nukleation.

At overvinde barrieren

Små krystalkerner står over for en barriere for vækst. På grund af interaktionerne mellem et lille fast stof og dets flydende omgivelser, en krystallit skal vokse til en vis størrelse for at kunne fortsætte med at vokse og ikke bare smelte væk. Forestil dig en bakke. Hvis du skubber en sten op af en bakke, men ikke når helt til toppen, klippen ruller tilbage til det sted, hvor du startede. Men hvis du skubber det langt nok, det ruller ned på den anden side. Toppen af ​​bakken (kaldet fri energibarrieren) angiver den kritiske størrelse for fortsat at dyrke krystallitten.

"Fokus for vores papir viser, hvad strukturen af ​​krystallitten øverst på denne barriere er, og hvad det har betydning for nukleationshastigheden, "Siger Molinero.

Tidligere har kemikere antog, at isstrukturen på toppen af ​​energibarrieren var den sekskantede struktur, der ses i snefnug (selvom snefnug er meget større end krystallitter). Det er en meget stabil struktur. "Antagelsen om, at det er sekskantet, er den mere intuitive, "siger Laura Lupi, en postdoktor og første forfatter på Natur papir.

Blandet lagkage

Tidligere simuleringer fandt ud af, at under nogle skyforhold, imidlertid, krystallitter med en uordnet struktur blev mere begunstiget. Disse "stabling uordnede" strukturer er en lag-kage-blanding af molekyler, der ikke sætter sig ned i hverken den sekskantede eller kubiske krystalstruktur. I deres undersøgelse, Lupi og Molinero fandt ud af, at ved en temperatur på 230 K, eller -45 grader Farenheit, fri energibarrieren for stablingsforstyrret krystallit er 14 kJ/mol mindre end for sekskantet is. Med andre ord, uordnet is har en "bakke" meget mindre end sekskantet is og danner omkring 2, 000 gange hurtigere.

Dette hjælper cloud -modellerere bedre med at forstå deres observationsdata vedrørende frysepriser i skyer. Tidligere nukleationsmodeller, der brugte sekskantet is, kunne ikke fange hele en skys adfærd, fordi disse modeller ekstrapolerede nukleationshastigheder på tværs af skyetemperaturer uden at forstå virkningerne af temperatur på disse hastigheder. Lupi og Molineros undersøgelse begynder at rette op på disse modeller. "Nukleationshastigheder kan kun måles i et meget snævert temperaturområde, "Molinero siger, "og det er ekstremt udfordrende at ekstrapolere dem til lavere temperaturer, der er vigtige for skyer, men utilgængelige for eksperimenterne."

I kraft af deres størrelse, snefnug er mere stabile som sekskantet is, Siger Lupi og Molinero. Deres fund gælder kun for meget små krystallitter. Lupi siger, at deres arbejde kan hjælpe skymodellerne med at skabe mere præcise modeller af vandfasen i skyerne. "Hvis du har så mange vanddråber ved en bestemt temperatur, du vil forudsige, hvor mange der bliver til isdråber, "siger hun. Bedre skymodeller kan føre til bedre forståelse af, hvordan skyer afspejler varme og producerer nedbør.

Molinero siger, at deres arbejde forbedrer den grundlæggende forståelse af, hvor hurtigt vand danner is - en proces, der udspiller sig i skyer og frysere hver dag. Og det er en proces, ikke en øjeblikkelig begivenhed, Tilføjer Molinero. ”Transformationen er ikke bare, at man går under nul, og det er det, "siger hun." Der er en hastighed, hvormed overgangen sker, styret af nukleationsbarrieren. Og barrieren er lavere end tidligere forventet. "