Фізика
Фізика

Візерунок сніжинок пояснили тонким шаром води між ними і повітрям

Фізики пояснили утворення сніжинок різної форми взаємодією тонкого шару води на них із навколишнім середовищем на самому початку кристалізації. Цю плівку води називають шаром попереднього плавлення, який на думку вчених, взаємодіє і з газовою, і з рідкою, і з твердою фазою, та впливає у тому числі на форму сніжинок. Дослідження було опубліковане у журналі Nature Communications.

Aaron Burden. Wikimedia Commons

Aaron Burden. Wikimedia Commons

Як ростуть сніжинки?

Зростання та танення льоду відіграє вирішальну роль у численних процесах, починаючи від опадів снігу та завершуючи динамікою льодовиків, очищенням атмосферних газів та зміною клімату. Втім, досі вчені до кінця не розуміють, як насправді росте або тане лід як у великих масах на полюсах, так і у вигляді крихітних кристалів в атмосфері. Термодинаміку формування та перетворення кристалічної поверхні, а також енергетику утворення поверхневих дефектів пояснює модель Terrace Ledge Kink (TLK). Вона базується на ідеї, що енергія положення атома на поверхні кристала визначається його зв'язком із сусідніми атомами і що переходи просто є взаємодією розірваних і утворених зв'язків. Чим нижча енергія атома, тим більш стійка грань і тим більше вона буде проявлена в формі кристала. Це до речі пояснює і симетричність сніжинок, бо сімейства еквівалентних площин з однаковими поверхневими енергіями будуть однаково проявлені у формі кристала.

Однак, в рамках цієї моделі для процесів росту сніжинок та льоду загалом не враховувався так званий квазірідкий шар, який утворюється на поверхні льоду як під час його танення, так і під час кристалізації рідини. Так, сучасні теорії про формування сніжинок різної форми від витягнутих голкоподібних кристалів до майже плоских пластинчастих дендритів пояснюють кінетичним фактором анізотропії зростання, що описує відношення горизонтальних та вертикальних темпів зростання. Але з реальними умовами атмосфери, а саме температурою та насиченістю води саме врахування шару попереднього плавлення дасть змогу виявити залежність темпів зростання від умов навколишнього середовища.

Як впливає цей шар?

Зростання льоду - це динамічний процес, який може відбуватися або за рахунок підживлення водою, що замерзає, або за рахунок замерзання водяної пари з навколишнього повітря. Структура форми кристалу залежить від ряду факторів, у тому числі від температури і тиску навколишнього середовища. Ця межа між льодом і повітрям, мікроскопічна рідка плівка з води, і є шаром попереднього плавлення. У своїй статті дослідники змоделювали процес створення сніжинок на ранній стадії, коли вони складаються лише з одного єдиного кристаліту. Його подальша взаємодія залежить від цього тонкого шару води, який визначає швидкість зростання різних граней кристалу.

Так вчені з’ясували, що за низької вологості лід зростає в основному через зіткнення молекул пари із цим шаром, але якщо вологість досить велика, кристал ростиме безпосередньо з плівки попереднього плавлення. На подальших етапах росту сніжинки, краплі під час кристалізації відчувають набагато меншу напругу, а тому їхня вільна енергія утворення набагато менша і призводить до значного збільшення швидкості росту в місцях, де вони конденсуються. Цікаво, що це свідчить про те, що конденсація крапель може відігравати певну роль у механізмі розколювання верхівки льоду, вирощеного з пари. На думку вчених, це допоможе заповнити пробіл між мікроскопічними теоріями та мезоскопічними моделями росту сніжинок.

кристаліту
неогранований монокристал, який під час кристалізації полікристала виростає з окремого зародка і росте до зіткнення з іншими сусідніми кристалітами.