Раскрыта тайна замерзания переохлажденных капель воды
Самые ранние этапы замораживания почти не зависят от факторов окружающей среды, поэтому физики быстро охладили капли в вакууме, чтобы зафиксировать эти этапы. Дифракция образовавшихся кристаллов льда показала, что вскоре после начала процесса замораживания образовалась кристаллическая структура. Дифракция от оставшейся жидкости между кристаллами льда показала узоры, похожие на то, что можно увидеть на поверхности льда, где есть сверхтонкий слой, который не является ни жидким, ни твёрдым. Также обнаружено, что лед образует напряженные или напряженные шестиугольные кристаллы сразу после замерзания. Эта неожиданная структура является временным, нестабильным состоянием, которое предшествует образованию льда с другими видами аномалий в кристаллической структуре.
Запечатлеть самые ранние стадии замерзания переохлажденных капель воды. Капли воды диаметром 40 мкм инжектировались в вакуумную камеру, в которой они быстро охлаждались и замерзали после гомогенного зародышеобразования льда. Одиночные замерзающие капли исследовали с помощью одновременной рентгеновской лазерной дифракции и двухимпульсной оптической визуализации.
Кредит: Природа (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06283-2
Облака намного круче, чем вы думаете. На самом деле ученые могут сказать, что они очень крутые, потому что состоят из миллионов капель переохлажденной воды, капель, которые были охлаждены ниже точки замерзания, но еще не превратились в лед. Когда эти капли замерзают, они могут ускорить замерзание всего облака за счет процесса, называемого вторичным образованием льда. Это быстрый, сложный процесс, который происходит в разных масштабах времени и длины.
«Исследователи в атмосферном сообществе пытаются понять, как лед так эффективно образуется в облаках, а также какой тип льда образуется», — сказал Клаудиу Стэн, ученый из Университета Рутгерса. «Когда лед образуется в переохлажденной воде, вода замерзает намного быстрее, чем если бы вы ждали, пока сформируется лед в морозильной камере. Но до сих пор было довольно сложно увидеть, что происходит в самом начале заморозки».
Группа исследователей более внимательно изучает этот сложный процесс с помощью рентгеновского лазера Linac Coherent Light Source (LCLS), расположенного в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики.
Исследователи разработали модель процесса замораживания, включающую семь различных стадий, и попутно обнаружили неожиданную структуру. Их результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature, могут улучшить наше понимание поведения облаков и их влияния на климат.
«Замерзание этих крошечных капель — явление, которое до конца не изучено, и оно может содержать подсказки, которые помогут нам лучше понять изменение климата », — сказал Стэн, руководивший исследованием. «Мы обнаружили, что этот процесс на самом деле сложнее, чем можно подумать».
Неожиданная структура
В LCLS команда использовала два метода для изучения десятков тысяч микрокапель воды: оптическую микроскопию, которая увеличивает мелкие объекты, преломляя свет через ряд линз, и рентгеновскую дифракцию, метод, при котором ученые облучают образец рентгеновскими лучами. и посмотрите на узор, который они создают, когда отскакивают, чтобы понять, как устроены его атомы или молекулы.
Они поняли, что самые ранние этапы замораживания почти не зависят от факторов окружающей среды, поэтому быстро охладили капли в вакууме, чтобы зафиксировать эти этапы. Дифракция образовавшихся кристаллов льда показала, что вскоре после начала процесса замораживания образовалась кристаллическая структура.
Дифракция от оставшейся жидкости между кристаллами льда показала узоры, похожие на то, что можно увидеть на поверхности льда, где есть сверхтонкий слой, который не является ни жидким, ни твердым. Исследователи также обнаружили, что лед образует напряженные или напряженные шестиугольные кристаллы сразу после замерзания. Эта неожиданная структура, которую раньше не наблюдали, является временным, нестабильным состоянием, которое, вероятно, предшествует образованию льда с другими видами аномалий в кристаллической структуре.
«Это замораживание происходит очень быстро и в очень маленьком регионе», — сказал ученый SLAC Себастьен Буте. «Именно здесь в игру вступает рентгеновский лазер. Он позволяет нам следить за этими сверхмалыми и сверхбыстрыми изменениями, делая снимки молекул в кристалле, чтобы увидеть, как они ведут себя на протяжении всего процесса».
Превращение в лед
Замерзание переохлажденных капель проходит через разные стадии. Исследователи определили семь из этих стадий в своей системе и объединили их в прогностическую модель. Сначала крошечный кусочек льда зарождается в сверххолодной воде. Затем лед начинает расти в виде древовидных узоров, заставляя каплю немного менять форму и замораживая половину воды внутри.
Затем вокруг средней части формируется гладкий внешний слой льда, который имеет как древовидные ледяные узоры, так и некоторое количество жидкости. Поскольку вода расширяется, превращаясь в лед, на поверхности капли начинают появляться маленькие заостренные структуры льда, поскольку внутренняя жидкость выталкивается через трещины во внешнем слое льда.
Вскоре капля образует все больше и больше остроконечных ледяных структур. Расширяющийся лед заставляет некоторые капли трескаться, но не распадаться на части. Некоторые другие капли полностью распадаются на куски из-за давления расширяющегося льда.
«Это довольно сложный процесс, потому что некоторые из этих этапов начинаются в разное время и в разных местах, поэтому каждая капля замерзает немного по-своему», — сказал Стэн. «Сначала мы не были уверены, что это можно смоделировать с имеющимися у нас данными, но мы смогли создать модель, которая имеет семь стадий замерзания, а также предсказывает немного другое замерзание для каждой капли. Благодаря нашему успеху мы думаем, что такие модели замораживания можно делать и для капель в облаках».
Завершение картины
Теперь, когда у них есть лучшее представление о том, что происходит в начале этого процесса замораживания, исследователи планируют провести последующие эксперименты в разные моменты времени, чтобы получить более полную картину.
Исследование дает подробное представление о том, как замерзают переохлажденные капли воды, что может привести к новому пониманию атмосферных процессов и более широкой климатической системы. Помимо этого, используемые методы могут помочь исследователям лучше понять процесс замерзания или затвердевания других материалов или в метеорологических условиях.
«Когда мы начали этот эксперимент, мы думали, что подтвердим метастабильную структуру кристаллов льда, ранее наблюдаемую при более длительных временных задержках, и в итоге мы обнаружили нечто совершенно неожиданное», — сказал Стэн. «Теперь мы лучше понимаем, что происходит в начале заморозки, что я нахожу весьма захватывающим».
