Er gebeurt iets bijna magisch als je een dienblad vol klotsen zet, vloeibaar water in een vriezer en komt er later uit als een stijf, vast kristal van ijs. Chemici van de Universiteit van Utah hebben het gordijn wat meer opengetrokken over het invriesproces, vooral in wolken.

Hun onderzoek toont aan dat wanneer waterdruppels bevriezen in wolken, de structuur van het ijskristal is niet noodzakelijk de klassieke zeshoekige sneeuwvlokstructuur. Liever, een meer wanordelijke ijsstructuur vormt zich gemakkelijker dan hexagonaal ijs onder bepaalde wolkenomstandigheden, waardoor de waterdruppels in wolken sneller in ijs veranderen dan eerder voorspeld. Het werk verzoent theoretische modellen van wolken met waarnemingen van bevriezingssnelheden. De studie is gepubliceerd in Natuur .

Waarom water bevriest?

Zelfs in warme klimaten, neerslag begint meestal met waterdruppels in wolken die in ijs veranderen. Waarom? "Deze vloeistofdruppels kunnen tot een bepaalde grootte groeien, " zegt Valeria Molinero, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Utah, "maar om te groeien tot een grootte die groot genoeg is om uit de lucht te vallen, deze druppeltjes moeten veel groter worden."

De beste manier om groter te worden, is door naar ijs te gaan. Een klein atmosferisch deeltje, een aerosol genoemd, kan het proces van bevriezing in gekoeld water starten. Of het proces kan spontaan beginnen, met een klein gebied van geordende watermoleculen die in de druppel verschijnen. Als dat "kristalliet" groot genoeg is, dan kan de druppel bevriezen en verder groeien door de omringende waterdamp naar binnen te trekken. Het proces waarbij kristallen uit een kleine kern groeien, wordt nucleatie genoemd.

De barrière overwinnen

Kleine kristalkernen hebben te maken met een barrière voor groei. Vanwege de interacties tussen een kleine vaste stof en zijn vloeibare omgeving, een kristalliet moet tot een bepaalde grootte groeien om te kunnen blijven groeien en niet zomaar wegsmelten. Stel je een heuvel voor. Als je een rots een heuvel op duwt, maar niet helemaal naar de top komt, de rots rolt terug naar waar je begon. Maar als je het ver genoeg duwt, het rolt naar de andere kant. De top van de heuvel (de barrière voor vrije energie genoemd) bepaalt de kritische grootte voor het voortzetten van de groei van het kristalliet.

"De focus van ons artikel is om te laten zien wat de structuur van het kristalliet aan de bovenkant van deze barrière is en wat de implicatie is voor de snelheid van nucleatie, ' zegt Molinero.

Eerder, scheikundigen gingen ervan uit dat de structuur van ijs aan de bovenkant van de energiebarrière de zeshoekige structuur was die we in sneeuwvlokken zien (hoewel sneeuwvlokken veel groter zijn dan kristallieten). Het is een zeer stabiele structuur. "De veronderstelling dat het zeshoekig is, is de meer intuïtieve, " zegt Laura Lupi, een postdoctoraal wetenschapper en eerste auteur op de Natuur papier.

Door elkaar gegooide laag cake

Eerdere simulaties toonden aan dat onder sommige wolkenomstandigheden, echter, kristallieten met een ongeordende structuur hadden meer de voorkeur. Deze "gestapelde ongeordende" structuren zijn een laag-cake-mix van moleculen die zich niet nestelen in de hexagonale of kubische kristalstructuur. In hun studie hebben Lupi en Molinero ontdekten dat bij een temperatuur van 230 K, of -45 graden Fahrenheit, de vrije-energiebarrière voor het stapelen van ongeordend kristalliet is 14 kJ/mol kleiner dan die voor hexagonaal ijs. Met andere woorden, ongeordend ijs heeft een "heuvel" die veel kleiner is dan zeshoekig ijs en vormt ongeveer 2, 000 keer sneller.

Dit helpt cloudmodelleurs hun observatiegegevens met betrekking tot bevriezingssnelheden in wolken beter te begrijpen. Eerdere nucleatiemodellen met hexagonaal ijs konden niet al het gedrag van een wolk vastleggen, omdat die modellen nucleatiesnelheden over wolkentemperaturen extrapoleerden zonder de effecten van temperatuur op die snelheden te begrijpen. De studie van Lupi en Molinero begint die modellen te corrigeren. "snelheden van ijskiemvorming kunnen alleen worden gemeten in een zeer smal temperatuurbereik, "Molinero zegt, "en het is buitengewoon uitdagend om ze te extrapoleren naar lagere temperaturen die belangrijk zijn voor wolken maar ontoegankelijk voor de experimenten."

Door hun grootte, sneeuwvlokken zijn stabieler als zeshoekig ijs, zeggen Lupi en Molinero. Hun bevindingen zijn alleen van toepassing op zeer kleine kristallieten. Lupi zegt dat hun werk cloud-modelbouwers kan helpen om nauwkeurigere modellen te maken van de fase van water in wolken. "Als je zoveel waterdruppels hebt bij een bepaalde temperatuur, je wilt voorspellen hoeveel er in ijsdruppels zullen veranderen, " zegt ze. Betere wolkenmodellen kunnen leiden tot een beter begrip van hoe wolken warmte reflecteren en neerslag produceren.

Molinero zegt dat hun werk het fundamentele begrip verbetert van hoe snel water ijs vormt - een proces dat zich elke dag in wolken en diepvriezers afspeelt. En het is een proces, geen onmiddellijke gebeurtenis, voegt Molinero toe. "De transformatie is niet alleen dat je onder nul gaat en dat is het, " zegt ze. "Er is een snelheid waarmee de overgang plaatsvindt, gecontroleerd door de nucleatiebarrière. En de drempel is lager dan eerder werd verwacht."