Algo casi mágico sucede cuando pones una bandeja llena de salpicaduras de agua líquida en un congelador y luego sale como un cristal rígido y sólido de hielo. Los químicos de la Universidad de Utah han retirado un poco más el telónproceso de congelación, particularmente en las nubes.
Su investigación muestra que cuando las gotas de agua se congelan en las nubes, la estructura del cristal de hielo no es necesariamente la clásica estructura hexagonal del copo de nieve. Más bien, una estructura de hielo más desordenada se forma más fácilmente que el hielo hexagonal bajo ciertas condiciones de nubes, permitiendo que el agualas gotas en las nubes se convierten en hielo más rápidamente de lo previsto previamente. El trabajo concilia modelos teóricos de nubes con observaciones de tasas de congelación. El estudio se publica en Naturaleza .
¿Por qué el agua se congela?
Incluso en climas cálidos, la precipitación generalmente comienza con gotas de agua en las nubes que se convierten en hielo. ¿Por qué? "Estas gotas de líquido pueden crecer hasta cierto tamaño", dice Valeria Molinero, profesora de química en la Universidad de Utah, "pero crecera un tamaño lo suficientemente grande como para que pueda caerse del cielo, estas gotitas tienen que crecer mucho más ".
La mejor manera de crecer es convertirse en hielo. Una pequeña partícula atmosférica, llamada aerosol, puede comenzar el proceso de congelación en agua fría. O el proceso puede comenzar espontáneamente, con una pequeña región de moléculas de agua ordenadas que aparecen dentrola gotita. Si ese "cristalito" es lo suficientemente grande, entonces la gotita puede congelarse y continuar creciendo tirando del vapor de agua circundante. El proceso de los cristales que crecen desde un núcleo pequeño se llama nucleación.
Superando la barrera
Los núcleos de cristal pequeños se enfrentan a una barrera para el crecimiento. Debido a las interacciones entre un sólido pequeño y su entorno líquido, un cristalito tiene que crecer hasta cierto tamaño para poder continuar creciendo y no simplemente derretirse. Imagine una colina. Siempujas una roca cuesta arriba pero no llegas hasta la cima, la roca rueda de regreso a donde empezaste. Pero si la empujas lo suficiente, baja por el otro lado. La cima de la colinallamada barrera de energía libre establece el tamaño crítico para continuar creciendo el cristalito.
"El enfoque de nuestro trabajo es mostrar cuál es la estructura del cristalito en la parte superior de esta barrera y cuál es la implicación para la tasa de nucleación", dice Molinero.
Anteriormente, los químicos suponían que la estructura del hielo en la parte superior de la barrera de energía era la estructura hexagonal que se ve en los copos de nieve aunque los copos de nieve son mucho más grandes que los cristalitos. Es una estructura muy estable ". La suposición de que es hexagonal es mayorintuitiva ", dice Laura Lupi, académica posdoctoral y primera autora en el Naturaleza papel
pastel de capas revuelto
Sin embargo, en simulaciones anteriores se observó que, en algunas condiciones de nubes, los cristalitos con una estructura desordenada eran los más favorecidos. Estas estructuras de "desorden de apilamiento" son una mezcla de moléculas de capas que no se asientan en la estructura cristalina hexagonal o cúbica.En su estudio, Lupi y Molinero descubrieron que a una temperatura de 230 K o -45 grados Farenheit, la barrera de energía libre para el cristalito desordenado de apilamiento es 14 kJ / mol más pequeña que la del hielo hexagonal. En otras palabras, el hielo desordenado tieneuna "colina" mucho más pequeña que el hielo hexagonal y se forma alrededor de 2.000 veces más rápido.
Esto ayuda a los modeladores de nubes a comprender mejor sus datos de observación con respecto a las tasas de congelación en las nubes. Los modelos de nucleación anteriores que usaban hielo hexagonal no podían capturar todo el comportamiento de una nube porque esos modelos extrapolaron las tasas de nucleación a través de las temperaturas de la nube sin comprender los efectos de la temperatura en esas tasasEl estudio de Lupi y Molinero comienza a corregir esos modelos. "Las tasas de nucleación de hielo solo pueden medirse en un rango muy estrecho de temperaturas", dice Molinero, "y es extremadamente difícil extrapolarlas a temperaturas más bajas que son importantes para las nubes, peroinaccesible a los experimentos "
Según su tamaño, los copos de nieve son más estables como el hielo hexagonal, dicen Lupi y Molinero. Sus hallazgos solo se aplican a cristalitos muy pequeños. Lupi dice que su trabajo puede ayudar a los modeladores de nubes a crear modelos más precisos de la fase del agua dentro de las nubes"Si tiene tantas gotas de agua a una temperatura determinada, desea predecir cuántas se convertirán en gotas de hielo", dice. Mejores modelos de nubes pueden conducir a una mejor comprensión de cómo las nubes reflejan el calor y producen precipitaciones.
Molinero dice que su trabajo mejora la comprensión fundamental de la rapidez con que el agua forma hielo, un proceso que se desarrolla en nubes y congeladores todos los días. Y es un proceso, no un evento instantáneo, agrega Molinero. "La transformación no es soloque va por debajo de cero y eso es todo ", dice ella." Hay una velocidad a la que ocurre la transición, controlada por la barrera de nucleación. Y la barrera es más baja de lo previsto previamente ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Utah . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :