Un diagrama de la barrera de energía libre muestra la energía necesaria para mantener la nucleación del hielo, con un pequeño diagrama de un cristalito de tamaño suficiente en el pico de la barrera. Un modelo a mayor escala (derecha) muestra un segmento cúbico de un cristalito más grande, con moléculas apiladas cúbicamente en rojo y moléculas apiladas hexagonalmente en azul. Crédito:Universidad de Utah
Algo casi mágico sucede cuando pones una bandeja llena de chapoteo, agua líquida en un congelador y luego sale como un rígido, cristal sólido de hielo. Los químicos de la Universidad de Utah han corrido un poco más la cortina sobre el proceso 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 estructura clásica de un copo de nieve hexagonal. Bastante, una estructura de hielo más desordenada se forma más fácilmente que el hielo hexagonal bajo ciertas condiciones de nubes, permitiendo que las gotas de agua en las nubes se conviertan en hielo más rápidamente de lo que se había predicho anteriormente. El trabajo concilia modelos teóricos de nubes con observaciones de tasas de congelación. El estudio se publica en Naturaleza .
Por que el agua se congela
Incluso en climas cálidos, la precipitación suele comenzar 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, profesor de química en la Universidad de Utah, "pero para crecer a un tamaño que sea lo suficientemente grande como para que pueda caer del cielo, estas gotas tienen que crecer mucho más ".
La mejor manera de crecer es convertirse en hielo. Una pequeña partícula atmosférica, llamado aerosol, Puede iniciar el proceso de congelación en agua helada. O el proceso puede comenzar de forma espontánea, con una pequeña región de moléculas de agua ordenadas que aparecen dentro de la gota. Si ese "cristalito" es lo suficientemente grande, luego, la gota puede congelarse y seguir creciendo atrayendo el vapor de agua circundante. El proceso de crecimiento de cristales a partir de un núcleo pequeño se llama nucleación.
Superando la barrera
Los núcleos de cristales pequeños se enfrentan a una barrera para el crecimiento. Debido a las interacciones entre un pequeño sólido y su entorno líquido, un cristalito tiene que crecer hasta cierto tamaño para poder seguir creciendo y no simplemente derretirse. Imagina una colina. Si empuja una roca cuesta arriba pero no llega hasta la cima, la roca vuelve a rodar hasta donde comenzaste. Pero si lo empujas lo suficiente, rueda por el otro lado. La cima de la colina (llamada barrera de energía libre) establece el tamaño crítico para que el cristalito continúe creciendo.
Núcleos de hielo con cubicidad y tamaño suficientes para continuar la formación de hielo. Las moléculas rojas muestran una configuración molecular cúbica y las azules están en un orden de hielo hexagonal. Crédito:Universidad de Utah
"El enfoque de nuestro artículo 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.
Previamente, Los químicos asumieron 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 la más intuitiva, "dice Laura Lupi, becario postdoctoral y primer autor de la Naturaleza papel.
Pastel de capas revuelto
Simulaciones anteriores encontraron que bajo algunas condiciones de nubes, sin embargo, los cristalitos con una estructura desordenada se vieron más favorecidos. Estas estructuras de "apilamiento desordenado" son una mezcla de capas de capas de moléculas que no se asientan en la estructura cristalina hexagonal o cúbica. En su estudio, Lupi y Molinero encontraron 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 menor que la del hielo hexagonal. En otras palabras, el hielo desordenado tiene una "colina" mucho más pequeña que el hielo hexagonal y se forma alrededor de 2, 000 veces más rápido.
Esto ayuda a los modeladores en la nube 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 extrapolaban las tasas de nucleación a través de las temperaturas de las nubes sin comprender los efectos de la temperatura en esas tasas. El estudio de Lupi y Molinero comienza a corregir esos modelos. "Las tasas de nucleación del hielo solo se pueden medir en un rango muy estrecho de temperaturas, "Molinero dice, "y es extremadamente difícil extrapolarlos a temperaturas más bajas que son importantes para las nubes pero inaccesibles para los experimentos".
En virtud de su tamaño, los copos de nieve son más estables que 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 determinada temperatura, 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 las nubes y los congeladores todos los días. Y es un proceso no es un evento instantáneo, Añade Molinero. "La transformación no es solo que bajes de cero y eso es todo, ", dice." Hay una velocidad a la que ocurre la transición, controlado por la barrera de nucleación. Y la barrera es más baja de lo que se había anticipado ".
