17 авг 2023 2 550

О чем молчали облака? Исследование раскрыло сложный процесс замерзания переохлажденной воды

Облака — удивительное явление природы. Ученые изучают их особенности, такие как способность образовывать лед из переохлажденной воды — капель, которые остаются жидкими при температуре ниже точки замерзания. Когда одна из них наконец замерзает, она может вызвать цепную реакцию во всем облаке благодаря процессу, называемому вторичным образованием льда. Это быстрый и сложный процесс, который происходит в разных масштабах времени и объема.

Мы хотим понять, как именно лед образуется в облаках и какой он имеет вид. Когда лед образуется в переохлажденной воде, он делает это гораздо быстрее, чем если бы мы положили воду в морозилку. Но до сих пор было довольно сложно увидеть, что происходит в самом начале заморозки

— Клаудиу Стэн, ученый из Университета Рутгерса.

Ученые использовали рентгеновский лазер Linac Coherent Light Source (LCLS), который находится в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США. Исследователи создали модель процесса замораживания, состоящую из семи стадий, и обнаружили неожиданную структуру. Их результаты, опубликованные в журнале Nature, могут помочь нам лучше понять поведение облаков и их роль в климате.

Замораживание этих маленьких капель — загадка, которую мы хотим разгадать, потому что она может дать нам ключи к пониманию изменения климата. Мы выяснили, что этот процесс гораздо сложнее, чем казалось

— Клаудиу Стэн.

Неожиданная структура

В LCLS исследователи применили два метода к десяткам тысяч микрокапель воды: оптическую микроскопию, которая увеличивает маленькие объекты с помощью линз и света, и рентгеновскую дифракцию, метод, при котором ученые освещают образец рентгеновскими лучами и анализируют узор, который они образуют при отражении, чтобы определить расположение атомов или молекул в нем.

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.

Как выяснилось, самые первые этапы замораживания почти не зависят от условий окружающей среды, поэтому экспериментаторы быстро охладили капли в вакууме, чтобы застопорить эти этапы. Дифракция кристаллов льда показала, что сразу после начала процесса замораживания появляется кристаллическая структура.

Дифракция жидкости между кристаллами льда показала узоры, похожие на те, что бывают на поверхности льда, где есть очень тонкий слой, который не совсем жидкий и не совсем твердый. Исследователи также обнаружили, что лед формирует напряженные шестиугольные кристаллы сразу после замерзания. Эта необычная структура, которую ранее не видели, является промежуточным, неустойчивым состоянием, которое, скорее всего, предшествует образованию льда с другими аномалиями в кристаллической структуре.

Это замораживание происходит очень быстро и в очень малом объеме. Здесь нам помогает рентгеновский лазер. Он дает нам возможность наблюдать за этими сверхмалыми и сверхбыстрыми изменениями, делая снимки молекул в кристалле, чтобы увидеть, как они меняются на протяжении всего процесса

— ученый SLAC Себастьен Буте.

Разные стадии замерзания

Замерзание переохлажденных капель происходит поэтапно. Исследователи выделили семь стадий в своей системе и построили прогностическую модель. Сначала в сверххолодной воде появляется маленький кристалл льда. Затем лед растет в виде ветвистых узоров, меняя форму капли и замораживая половину воды внутри.

Затем на поверхности капли образуется гладкий слой льда, который содержит и ветвистые узоры, и жидкость. Так как лед занимает больше места, чем вода, из-под слоя льда выступают острые ледяные структуры, образованные из вытекающей жидкости.

Вскоре капля покрывается все большим количеством острых ледяных структур. Расширяющийся лед заставляет некоторые капли трескаться, но не распадаться. Другие капли разлетаются на куски из-за давления льда.

Это довольно сложный процесс, потому что некоторые стадии начинаются в разное время и в разных местах, поэтому каждая капля замерзает по-своему. Мы не были уверены, что сможем смоделировать это с нашими данными, но мы создали модель, которая описывает семь стадий замерзания и учитывает различия между каплями. Мы надеемся, что такие модели можно применять и к каплям в облаках

— Клаудиу Стэн.

Теперь, когда ученые лучше понимают, что происходит в начале процесса замораживания, они хотят провести дальнейшие эксперименты в разные моменты времени, чтобы увидеть всю картину.

Исследование дает подробный анализ того, как замерзают переохлажденные капли воды, что может помочь нам лучше понять атмосферные процессы и климатическую систему в целом. Кроме того, используемые методы могут быть полезны для изучения замерзания или затвердевания других материалов или в разных погодных условиях.