Percer les mystères du gel dans les gouttelettes d’eau surfondues

Les nuages ​​sont beaucoup plus froids que vous ne le pensez. En fait, les scientifiques pourraient dire qu’ils sont super cool parce qu’ils sont constitués de millions de gouttelettes d’eau surfondues, des gouttelettes qui ont été refroidies en dessous du point de congélation mais qui ne se sont pas encore transformées en glace. Lorsque ces gouttelettes gèlent, elles peuvent accélérer la congélation de l’ensemble du nuage grâce à un processus appelé production de glace secondaire. Il s’agit d’un processus rapide et complexe qui se déroule sur différentes échelles de temps et de durée.

« Les chercheurs de la communauté des sciences de l’atmosphère essaient de comprendre comment la glace est produite si efficacement dans les nuages, et aussi quel type de glace se forme », a déclaré Claudiu Stan, scientifique à l’Université Rutgers. « Lorsque de la glace se forme dans de l’eau surfondue, l’eau va geler beaucoup plus rapidement que si vous attendiez que de la glace se forme dans un congélateur. Et ce que les gens ont déjà vu, c’est que vous n’obtenez pas le même type de glace que vous obtenez de le congélateur. Mais jusqu’à présent, il était assez difficile de voir ce qui se passait au tout début de la congélation. »

Une équipe de chercheurs a exploré ce processus complexe de plus près à l’aide du laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS), situé au laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l’Énergie.

Les chercheurs ont développé un modèle du processus de congélation qui comprend sept étapes distinctes et ont découvert une structure inattendue en cours de route. Leurs résultats, publiés aujourd’hui dans Naturepourrait améliorer notre compréhension du comportement des nuages ​​et de son effet sur le climat.

« Le gel de ces minuscules gouttelettes est un phénomène qui n’est pas entièrement compris, et il pourrait contenir des indices qui pourraient nous aider à mieux comprendre le changement climatique », a déclaré Stan, qui a dirigé l’étude. « Nous avons découvert que le processus est en fait plus compliqué qu’on ne le pense. »

Structure inattendue

Au LCLS, l’équipe a utilisé deux techniques pour étudier des dizaines de milliers de microgouttelettes d’eau : la microscopie optique, qui grossit les petits objets en déviant la lumière à travers une série de lentilles, et la diffraction des rayons X, une technique où les scientifiques frappent un échantillon avec des rayons X. et regardez le motif qu’ils forment lorsqu’ils rebondissent pour comprendre comment ses atomes ou ses molécules sont disposés.

Ils ont réalisé que les premières étapes de la congélation sont presque indépendantes des facteurs environnementaux, ils ont donc refroidi les gouttes rapidement dans le vide pour aider à capturer ces étapes. La diffraction des cristaux de glace formés a révélé qu’un arrangement cristallin s’est formé peu de temps après le début du processus de congélation.

La diffraction du liquide restant entre les cristaux de glace a montré des motifs similaires à ce que l’on pourrait voir à la surface de la glace, où il y a une couche super fine qui n’est pas tout à fait liquide ou solide. Les chercheurs ont également découvert que la glace forme un arrangement cristallin hexagonal tendu ou stressé juste après la congélation. Cette structure inattendue, qui n’avait jamais été observée auparavant, est un état temporaire et instable susceptible de précéder la formation de glace avec d’autres types d’anomalies dans la structure cristalline.

« Ce gel se produit extrêmement rapidement et dans une très petite région », a déclaré le scientifique du SLAC, Sébastien Boutet. « C’est là que le laser à rayons X entre en jeu. Il nous permet de suivre ces changements ultrapetits et ultrarapides, en prenant des instantanés des molécules dans le cristal pour voir comment elles se comportent tout au long du processus. »

Transformer en glace

La congélation des gouttes surfondues passe par différentes étapes. Les chercheurs ont identifié sept de ces étapes dans leur système et les ont organisées dans un modèle prédictif. Tout d’abord, un minuscule morceau de glace nuclée dans l’eau super froide. Ensuite, la glace commence à se développer en forme d’arbre, ce qui fait que la gouttelette change un peu de forme et gèle la moitié de l’eau à l’intérieur.

Ensuite, une couche de glace externe lisse se forme autour d’une partie médiane qui présente à la fois des motifs de glace en forme d’arbre et un peu de liquide. Étant donné que l’eau se dilate lorsqu’elle se transforme en glace, de petites structures de glace pointues commencent à apparaître à la surface de la gouttelette lorsque le liquide à l’intérieur est expulsé à travers les fissures de la couche de glace externe.

Bientôt, la gouttelette forme des structures de glace pointues de plus en plus grandes. La glace en expansion provoque la fissuration de certaines gouttelettes mais pas leur éclatement. Certaines autres gouttelettes se brisent complètement en morceaux à cause de la pression de la glace en expansion.

« C’est un processus assez compliqué, car certaines de ces étapes commencent à des moments et à des endroits variables, de sorte que chaque goutte se fige d’une manière légèrement différente », a déclaré Stan. « Au début, nous n’étions pas sûrs qu’il puisse être modélisé avec les données dont nous disposions, mais nous avons pu créer un modèle comportant sept étapes de congélation et prédisant également une congélation légèrement différente pour chaque goutte. En raison de notre succès, nous pensons que de tels modèles de congélation peuvent également être créés pour les gouttelettes dans les nuages. »

Compléter l’image

Maintenant qu’ils ont une meilleure idée de ce qui se passe au début de ce processus de congélation, les chercheurs prévoient de mener des expériences de suivi à différents moments pour obtenir une image plus complète.

La recherche fournit une compréhension détaillée de la façon dont les gouttelettes d’eau surfondues gèlent, ce qui pourrait conduire à de nouvelles connaissances sur les processus atmosphériques et le système climatique au sens large. Au-delà de cela, les techniques utilisées pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre le processus de congélation ou de solidification dans d’autres matériaux ou dans des conditions météorologiques.

« Lorsque nous avons commencé cette expérience, nous pensions que nous allions confirmer une structure métastable de cristaux de glace précédemment observée à des délais plus longs, et nous avons fini par observer quelque chose d’assez inattendu », a déclaré Stan. « Maintenant, nous avons une meilleure compréhension de ce qui se passe au début de la congélation, ce que je trouve assez excitant. »