Je zou verwachten dat water veel sneller verdampt dan ijs. Verrassend genoeg, onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam hebben nu aangetoond dat voor kleine ijsdruppels, dit is niet het geval:ijs- en waterdruppels verdwijnen even snel. Dit verklaart een feit dat skiërs goed weten:vers gevallen sneeuw is heel wat anders dan sneeuw van een paar dagen oud. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie deze week.

Als we een glas water op tafel zetten en lang wachten, we verwachten dat het water verdampt, maar niet het glas zelf, of de tafel. In onze ervaring, vaste materialen verdampen niet; we verwachten daarom intuïtief ijs, ook een solide ook niet significant verdampen. Hoe dan ook, zo'n proces - in natuurkundige terminologie bekend als sublimatie - gebeurt:skiërs weten, bijvoorbeeld, dat zelfs als de temperatuur onder het vriespunt blijft, een paar centimeter sneeuw kan in een paar dagen verdwijnen.

Een verrassend resultaat

Hoewel veel minder bestudeerd dan de verdamping van vloeistoffen, de sublimatie van vast ijs heeft belangrijke gevolgen, omdat het het klimaat beïnvloedt (omdat ijs het zonlicht weerkaatst) en de grootte en vorm van ijsdeeltjes in wolken (waardoor sneeuwvlokken, hagelstenen en ijspellets) en is van het grootste belang voor de vorming van complexe erosiepatronen zoals sneeuwpenitentes in sneeuwvelden op grote hoogte.

In onderzoek dat werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie deze week, natuurkundigen Etienne Jambon-Puillet, Noushine Shahidzadeh en Daniel Bonn van de Universiteit van Amsterdam bestudeerden de sublimatie van kleine ijsdruppels en sneeuwvlokken. Verrassend genoeg, ze ontdekten dat onder dezelfde omstandigheden, de sublimatie van een bevroren ijsdruppel gebeurt net zo snel als de verdamping van dezelfde druppel wanneer deze is samengesteld uit vloeibaar water.

Diffusie bepaalt de limiet

De onderzoekers laten zien dat dit verrassende effect optreedt omdat zowel voor vloeibaar water als voor ijs, de verdampingssnelheid wordt beperkt door het diffusieproces:de manier waarop de resulterende waterdamp zich langzaam door de lucht verspreidt. Deze conclusie geldt voor ijsdruppels, maar ook voor sneeuwvlokken:deze worden ronder tijdens sublimatie (zie figuur); een proces dat voorheen werd toegeschreven aan de invloed van de onderliggende kristalstructuur. De onderzoekers stellen nu dat deze kristallijne structuur niet zo belangrijk is als eerder werd gedacht:hun diffusieargumenten zijn voldoende om de evolutie van de in experimenten waargenomen sneeuwvlokvormen kwantitatief te verklaren.

De resultaten verklaren dus het verschil tussen vers gevallen sneeuw en sneeuw van enkele dagen oud. Maar de conclusies zijn niet alleen interessant voor liefhebbers van skiën, aangezien de toepassingen niet beperkt zijn tot ijsdruppels of sneeuwvlokken. De bevindingen zijn evenzeer van toepassing op het oplossen van kleine kristallen, omdat hun dynamiek wordt bepaald door dezelfde fysica. Dus, de resultaten kunnen ook worden toegepast bij het beheersen van de grootte en vorm van nanodeeltjes en zoutkristallen of de oplossnelheid van geneesmiddelen.