Entschlüsseln Sie die Geheimnisse des Gefrierens in unterkühlten Wassertröpfchen

Wolken sind viel kühler als Sie vielleicht denken. Tatsächlich könnten Wissenschaftler sagen, dass sie supercool sind, weil sie aus Millionen unterkühlter Wassertröpfchen bestehen, Tröpfchen, die unter den Gefrierpunkt abgekühlt sind, sich aber noch nicht in Eis verwandelt haben. Wenn diese Tröpfchen gefrieren, können sie das Gefrieren der gesamten Wolke durch einen Prozess namens sekundäre Eisproduktion beschleunigen. Dies ist ein schneller, komplexer Prozess, der über verschiedene Zeit- und Längenskalen hinweg abläuft.

„Forscher in der Atmosphärenwissenschaft versuchen zu verstehen, wie Eis in Wolken so effizient produziert wird und welche Art von Eis entsteht“, sagte Claudiu Stan, Wissenschaftler an der Rutgers University. „Wenn sich Eis in unterkühltem Wasser bildet, gefriert das Wasser viel schneller, als wenn man darauf warten würde, dass sich Eis in einem Gefrierschrank bildet. Und was die Leute zuvor gesehen haben, ist, dass man nicht die gleiche Art von Eis erhält, die man bekommt.“ der Gefrierschrank. Aber bisher war es ziemlich schwierig zu erkennen, was ganz am Anfang des Gefrierens passiert.“

Ein Forscherteam hat diesen komplizierten Prozess mithilfe des Röntgenlasers Linac Coherent Light Source (LCLS) genauer untersucht, der sich im SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums befindet.

Die Forscher entwickelten ein Modell des Gefrierprozesses, das sieben verschiedene Phasen umfasst, und entdeckten dabei eine unerwartete Struktur. Ihre Ergebnisse wurden heute veröffentlicht in Naturkönnte unser Verständnis des Wolkenverhaltens und seiner Auswirkungen auf das Klima verbessern.

„Das Gefrieren dieser winzigen Tröpfchen ist ein Phänomen, das noch nicht vollständig verstanden ist, und es könnte Hinweise enthalten, die uns helfen könnten, den Klimawandel besser zu verstehen“, sagte Stan, der die Studie leitete. „Wir haben herausgefunden, dass der Prozess tatsächlich komplizierter ist, als man denkt.“

Unerwartete Struktur

Am LCLS nutzte das Team zwei Techniken, um Zehntausende Wasser-Mikrotröpfchen zu untersuchen: optische Mikroskopie, die kleine Objekte vergrößert, indem sie Licht durch eine Reihe von Linsen beugt, und Röntgenbeugung, eine Technik, bei der Wissenschaftler eine Probe mit Röntgenstrahlen treffen Und schauen Sie sich das Muster an, das sie beim Abprallen erzeugen, um herauszufinden, wie die Atome oder Moleküle angeordnet sind.

Sie erkannten, dass die ersten Schritte des Gefrierens nahezu unabhängig von Umweltfaktoren sind, und kühlten die Tropfen daher schnell im Vakuum ab, um diese Schritte einzufangen. Die Beugung der gebildeten Eiskristalle ergab, dass sich kurz nach Beginn des Gefrierprozesses eine kristalline Anordnung bildete.

Die Beugung der verbleibenden Flüssigkeit zwischen den Eiskristallen zeigte Muster, die denen ähneln, die man auf der Eisoberfläche sehen könnte, wo sich eine hauchdünne Schicht befindet, die weder ganz flüssig noch fest ist. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass das Eis unmittelbar nach dem Gefrieren eine gespannte, sechseckige Kristallanordnung bildet. Bei dieser unerwarteten Struktur, die zuvor nicht beobachtet wurde, handelt es sich um einen vorübergehenden, instabilen Zustand, der wahrscheinlich der Eisbildung mit anderen Arten von Anomalien in der Kristallstruktur vorausgeht.

„Dieses Gefrieren geschieht extrem schnell und in einem sehr kleinen Bereich“, sagte SLAC-Wissenschaftler Sebastien Boutet. „Hier kommt der Röntgenlaser ins Spiel. Er ermöglicht es uns, diese ultrakleinen, ultraschnellen Veränderungen zu verfolgen und Schnappschüsse der Moleküle im Kristall zu machen, um zu sehen, wie sie sich während des Prozesses verhalten.“

Verwandelt sich in Eis

Das Gefrieren der unterkühlten Tropfen durchläuft verschiedene Phasen. Die Forscher identifizierten sieben dieser Stufen in ihrem System und ordneten sie in einem Vorhersagemodell an. Zunächst bildet sich im superkalten Wasser ein winziges Stück Eis. Dann beginnt das Eis in baumartigen Mustern zu wachsen, wodurch der Tropfen seine Form ein wenig verändert und die Hälfte des Wassers darin gefriert.

Als nächstes bildet sich eine glatte äußere Eisschicht um einen mittleren Teil, der sowohl baumartige Eismuster als auch etwas Flüssigkeit aufweist. Da sich Wasser ausdehnt, wenn es zu Eis wird, bilden sich auf der Oberfläche des Tröpfchens kleine, spitze Eisstrukturen, wenn die innere Flüssigkeit durch Risse in der äußeren Eisschicht herausgedrückt wird.

Bald bildet der Tropfen immer größere, spitze Eisstrukturen. Das sich ausdehnende Eis führt dazu, dass einige Tröpfchen platzen, aber nicht auseinanderbrechen. Einige andere Tröpfchen zerfallen aufgrund des Drucks des sich ausdehnenden Eises vollständig.

„Das ist ein ziemlich komplizierter Prozess, da einige dieser Phasen zu unterschiedlichen Zeiten und an unterschiedlichen Orten beginnen, sodass jeder Tropfen auf etwas andere Weise gefriert“, sagte Stan. „Zuerst waren wir nicht sicher, ob es mit den Daten, die wir hatten, modelliert werden konnte, aber wir konnten ein Modell erstellen, das sieben Gefrierstufen hat und auch ein leicht unterschiedliches Gefrieren für jeden Tropfen vorhersagt. Aufgrund unseres Erfolgs glauben wir das.“ Solche Gefriermodelle können auch für Tröpfchen in Wolken erstellt werden.“

Vervollständigung des Bildes

Da sie nun eine bessere Vorstellung davon haben, was zu Beginn dieses Gefrierprozesses passiert, planen die Forscher, Folgeexperimente zu verschiedenen Zeitpunkten durchzuführen, um ein vollständigeres Bild zu erhalten.

Die Forschung liefert ein detailliertes Verständnis darüber, wie unterkühlte Wassertröpfchen gefrieren, was zu neuen Erkenntnissen über atmosphärische Prozesse und das weitere Klimasystem führen könnte. Darüber hinaus könnten die verwendeten Techniken den Forschern helfen, den Gefrier- oder Erstarrungsprozess in anderen Materialien oder unter meteorologischen Bedingungen besser zu verstehen.

„Als wir mit diesem Experiment begannen, dachten wir, wir würden eine metastabile Struktur von Eiskristallen bestätigen, die zuvor bei längeren Zeitverzögerungen beobachtet wurde, und am Ende beobachteten wir etwas, das ziemlich unerwartet war“, sagte Stan. „Jetzt haben wir ein besseres Verständnis dafür, was zu Beginn des Gefrierens passiert, was ich ziemlich spannend finde.“