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.
— 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.
— Клаудиу Стэн.
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.
— ученый SLAC Себастьен Буте.
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.
— 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.
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.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
3700-летний вирус, спрятанный в средневековых книгах, только что убил 500 тысяч животных
Сколько еще патогенов дремлет в библиотечных хранилищах Европы и России, точно не скажет ни один ученый...
«Этого не должно происходить»: что ученые нашли в облаках Венеры
Там возможны абсолютно другие, просто невероятные формы жизни. И эксперименты это доказали...
Молилась и убивала: какой диагноз ставят Салтычихе психиатры и психологи?
Ученые говорят: феномен жестокости самой страшной помещицы России разгадан, но......
Супервспышка-1947: тогда Земля избежала триллиона бомб. Но успокоилось ли Солнце?
Астрофизики говорят, что нам очень повезло со звездой. Но шансы на глобальную катастрофу все-таки есть...
Карта 1587 года и Ноев ковчег: почему место совпало с раскопками на Арарате?
Длина «судна», кстати, тоже совпала, и это не может не настораживать...
«Выстрел» прямо в Землю: астрономы обнаружили черную дыру, выбрасывающую струю в сторону нашей планеты
Ученые рассказали, как это поможет разгадать важную космическую тайну...
Поделили Москву на «зоны влияния»: генетики рассказали, как живут крысиные «народы» столицы
Почему московские грызуны оказались «неуязвимыми мутантами» и зачем им реки для жизни?...
Камчатка 1000 лет назад: археологи заглянули в исчезнувший мир из космоса
Предков этих людей изгнало мощное извержение вулкана, но через столетия они вернулись в родные земли...
Жизнь за пределами Земли: что рассказала ученым межзвездная комета 3I/ATLAS?
Объект настолько древний, что его возраст крайне сложно представить. И это не единственная загадка пришельца из глубокого космоса...
Нашли тайную комнату в гробнице Тутанхамона: почему там может быть Нефертити?
Если гипотеза подтвердится, это будет крупнейшее археологическое открытие современной эпохи...
Астрономы поймали сигнал из космоса: пришельцы или помеха?
И почему главная проблема в том, что мы мастерски сами себе мешаем за пределами Земли?...
928 разбросанных костей в Гёбекли-Тепе: спустя 30 лет раскопок тайна древнейшего храма наконец-то раскрыта
Однако археологи признаются: от открытия им проще не стало. Напротив, все еще больше запуталось...
Черная смерть — двигатель прогресса: как эпидемия чумы в корне поменяла ход истории в Европе
Неожиданно: книгопечатание, отмена крепостного права, раскол западного христианства — это лишь немногие последствия пандемии...
Тихий океан стал вести странно: молодая вода быстро стареет, а старая, наоборот, молодеет. В чем причина?
Особенно страдает северная часть океана. Но и есть хорошая новость...
Не хуже Тутанхамона: почему сокровища забытых цариц из Ассирии поразили ученых?
Особенно загадочной оказалось гробница II, причем ее тайна до конца не раскрыта и по сей день...
Таинственные пещерные иероглифы в Мексике раскрывают давно потерянную письменность
Оказалось, что разгадки лучше всего искать не в городах, а на склонах гор в глуши...