Något nästan magiskt händer när du lägger en bricka full med skräp, flytande vatten i en frys och det kommer ut senare som en stel, fast kristall av is. Kemister vid University of Utah har dragit tillbaka gardinen lite mer om frysningsprocessen, speciellt i moln.

Deras forskning visar att när vattendroppar fryser i moln, strukturen på iskristallen är inte nödvändigtvis den klassiska sexkantiga snöflingastrukturen. Snarare, en mer oordnad isstruktur bildas lättare än hexagonal is under vissa molnförhållanden, vilket gör att vattendropparna i molnen kan förvandlas till is snabbare än vad som tidigare förutspåtts. Verket förenar teoretiska modeller av moln med observationer av fryshastigheter. Studien publiceras i Natur .

Varför vatten fryser

Även i varma klimat, nederbörden börjar vanligtvis med att vattendroppar i molnen förvandlas till is. Varför? "Dessa vätskedroppar kan växa till en viss storlek, säger Valeria Molinero, kemiprofessor vid University of Utah, "men att växa till en storlek som är tillräckligt stor för att den kan falla från himlen, dessa droppar måste växa sig mycket större."

Det bästa sättet att växa sig större är att förvandlas till is. En liten atmosfärisk partikel, kallas en aerosol, kan starta processen att frysa i kylt vatten. Eller så kan processen starta spontant, med ett litet område av ordnade vattenmolekyler som uppträder i droppen. Om den "kristalliten" är tillräckligt stor, då kan droppen frysa och fortsätta växa genom att dra in den omgivande vattenångan. Processen med kristaller som växer från en liten kärna kallas kärnbildning.

Att övervinna barriären

Små kristallkärnor möter en barriär för tillväxt. På grund av växelverkan mellan ett litet fast ämne och dess flytande omgivning, en kristallit måste växa till en viss storlek för att kunna fortsätta växa och inte bara smälta bort. Föreställ dig en kulle. Om du trycker en sten uppför en kulle men inte tar dig hela vägen till toppen, stenen rullar tillbaka ner till där du började. Men om du trycker det tillräckligt långt, den rullar ner på andra sidan. Toppen av kullen (kallad fri energibarriär) anger den kritiska storleken för att fortsätta växa kristalliten.

"Fokus i vår artikel är att visa vad strukturen av kristalliten i toppen av denna barriär är och vad är implikationen för kärnbildningshastigheten, säger Molinero.

Tidigare, kemister antog att isstrukturen på toppen av energibarriären var den hexagonala strukturen som ses i snöflingor (även om snöflingor är mycket större än kristalliter). Det är en mycket stabil struktur. "Antagandet att det är hexagonalt är det mer intuitiva, säger Laura Lupi, en postdoktor och första författare om Natur papper.

Blandad lagertårta

Tidigare simuleringar visade att under vissa molnförhållanden, dock, kristalliter med en oordnad struktur var mer gynnade. Dessa "stackorordnade" strukturer är en skikt-kaka-blandning av molekyler som inte sätter sig i vare sig den hexagonala eller kubiska kristallstrukturen. I deras studie, Lupi och Molinero fann att vid en temperatur på 230 K, eller -45 grader Farenheit, den fria energibarriären för den staplande oordnade kristalliten är 14 kJ/mol mindre än den för hexagonal is. Med andra ord, oordnad is har en "kulle" mycket mindre än sexkantig is och bildar omkring 2, 000 gånger snabbare.

Detta hjälper molnmodellerare att bättre förstå deras observationsdata angående fryshastigheter i moln. Tidigare kärnbildningsmodeller som använder hexagonal is kunde inte fånga alla molns beteende eftersom dessa modeller extrapolerade kärnbildningshastigheter över molntemperaturer utan att förstå effekten av temperaturen på dessa hastigheter. Lupi och Molineros studie börjar korrigera dessa modeller. "Hastigheten av iskärnbildning kan bara mätas i ett mycket snävt temperaturintervall, " säger Molinero, "och det är extremt utmanande att extrapolera dem till lägre temperaturer som är viktiga för moln men otillgängliga för experimenten."

På grund av sin storlek, snöflingor är mer stabila som sexkantig is, säger Lupi och Molinero. Deras fynd gäller bara mycket små kristalliter. Lupi säger att deras arbete kan hjälpa molnmodellerare att skapa mer exakta modeller av vattenfasen i molnen. "Om du har så många vattendroppar vid en viss temperatur, du vill förutsäga hur många som kommer att förvandlas till isdroppar, " säger hon. Bättre molnmodeller kan leda till bättre förståelse för hur moln reflekterar värme och producerar nederbörd.

Molinero säger att deras arbete förbättrar grundläggande förståelse för hur snabbt vatten bildar is - en process som utspelar sig i moln och frysar varje dag. Och det är en process, inte en omedelbar händelse, tillägger Molinero. "Förvandlingen är inte bara att du går under noll och det är allt, " säger hon. "Det finns en takt med vilken övergången sker, kontrolleras av kärnbildningsbarriären. Och barriären är lägre än tidigare förutsett."