Al centro delle nuvole ci sono i cristalli di ghiaccio. E nel cuore dei cristalli di ghiaccio, spesso, sono particelle di aerosol, polvere nell'atmosfera sulla quale il ghiaccio può formarsi più facilmente che all'aria aperta.

È un po' misterioso come ciò accada, anche se, perché i cristalli di ghiaccio sono strutture ordinate di molecole, mentre gli aerosol sono spesso pezzi disorganizzati. Nuova ricerca di Valeria Molinero, illustre professore di chimica, e Atanu K. Metya, ora all'Indian Institute of Technology Patna, mostra come i cristalli di molecole organiche, un componente comune degli aerosol, può portare a termine il lavoro.

La storia è più di questo, tuttavia, è un ritorno alla ricerca sull'inseminazione delle nuvole dell'era della Guerra Fredda e un'indagine su un particolare effetto memoria che vede il ghiaccio formarsi più facilmente su questi cristalli la seconda volta.

La ricerca, finanziato dall'Ufficio per la ricerca scientifica dell'Aeronautica Militare, è pubblicato in Giornale della Società Chimica Americana .

Ritorno al cloud seeding

La ricerca di Molinero è focalizzata su come si forma il ghiaccio, in particolare il processo di nucleazione, che è l'inizio della formazione dei cristalli di ghiaccio. Nelle giuste condizioni, le molecole d'acqua possono nucleare il ghiaccio da sole. Ma spesso altro materiale, chiamato nucleante, può aiutare il processo lungo.

Dopo diversi studi sui modi in cui le proteine ​​possono aiutare a formare il ghiaccio, Molinero e Metya hanno rivolto la loro attenzione ai nucleanti di ghiaccio organici (come usati qui, "organico" significa composti organici contenenti carbonio) perché sono simili alle proteine ​​che producono ghiaccio e si trovano negli aerosol aerodispersi.

Ma una revisione della letteratura scientifica ha scoperto che i documenti che discutevano la nucleazione del ghiaccio da parte dei composti organici provenivano dagli anni '50 e '60, con pochissimo lavoro successivo fino a poco tempo fa.

"Questo mi ha davvero incuriosito, "Molinero dice, "perché ora c'è molto interesse sugli aerosol organici e se e come promuovono la formazione di ghiaccio nelle nuvole, ma tutta questa nuova letteratura sembrava dissociata da questi primi studi fondamentali sui nucleanti organici del ghiaccio".

Ulteriori ricerche hanno rivelato che i primi lavori sui nucleanti organici del ghiaccio erano legati allo studio della semina delle nuvole, una linea di ricerca del dopoguerra su come le particelle (principalmente ioduro d'argento) potrebbero essere introdotte nell'atmosfera per incoraggiare la formazione di nubi e la precipitazione. Gli scienziati hanno esplorato le proprietà dei composti organici come nucleanti del ghiaccio per vedere se potrebbero essere alternative convenienti allo ioduro d'argento.

Ma la ricerca sull'inseminazione delle nuvole è crollata negli anni '70 dopo che le pressioni politiche e i timori di cambiamenti climatici hanno portato a vietare la pratica in guerra. I finanziamenti e l'interesse per i nucleanti di ghiaccio organici si sono prosciugati fino a poco tempo fa, quando la ricerca sul clima ha stimolato un rinnovato interesse per la chimica della formazione del ghiaccio nell'atmosfera.

"Negli ultimi anni c'è stato un crescente interesse per la nucleazione del ghiaccio da parte di aerosol organici, ma nessun collegamento con questi vecchi studi sui cristalli organici, " dice Molinero. "Allora, Ho pensato che fosse il momento di "salvarli" nella letteratura moderna".

Tutto classico

Il floroglucinolo è uno dei nucleanti organici studiati a metà dei 20 ^ns secolo. Ha mostrato la promessa per il controllo della nebbia, ma meno per la semina delle nuvole. Molinero e Metya hanno rivisitato il floroglucinolo poiché si è dimostrato potente nella nucleazione del ghiaccio in laboratorio.

Una domanda a cui rispondere è se il floroglucinolo nuclea il ghiaccio attraverso processi classici o non classici. Quando il ghiaccio si nuclea da solo, senza superfici o altre molecole, l'unico ostacolo da superare è la formazione di un cristallito stabile di ghiaccio (solo circa 500 molecole di dimensioni in alcune condizioni) su cui altre molecole possono costruire per far crescere un cristallo di ghiaccio. Questa è la nucleazione classica.

nucleazione non classica, coinvolgendo una superficie nucleante, si verifica quando uno strato di molecole d'acqua si assembla sulla superficie su cui altre molecole d'acqua possono organizzarsi in un reticolo cristallino. L'ostacolo da superare nella nucleazione non classica è la formazione del monostrato.

Cosa si applica al floroglucinolo? Negli anni Sessanta, il ricercatore L.F. Evans ha concluso che non era classico. "Sono ancora stupito che sia stato in grado di dedurre l'esistenza di un monostrato e dedurre che il meccanismo non fosse classico da esperimenti di congelamento in funzione della sola temperatura!" dice Molinero. Ma Molinero e Metya, utilizzando simulazioni molecolari di come si forma il ghiaccio, scoperto che è più complicato.

"Troviamo che il passaggio che decide davvero se l'acqua si trasforma in ghiaccio o meno non è la formazione del monostrato ma la crescita di un cristallite di ghiaccio in cima, " Dice Molinero. "Ciò rende classica la formazione del ghiaccio per via organica anche se non per questo meno affascinante".

Aggrappandosi ai ricordi di ghiaccio

I ricercatori hanno anche usato i loro metodi di simulazione per studiare un interessante effetto memoria osservato in precedenza con nucleanti organici e di altro tipo. Quando si forma il ghiaccio, fuso e formato di nuovo utilizzando questi nucleanti, il secondo ciclo di cristallizzazione è più efficace del primo. Si presume che il ghiaccio si sciolga completamente tra le cristallizzazioni, e i ricercatori hanno proposto diverse potenziali spiegazioni.

Molinero e Metya hanno scoperto che l'effetto memoria non è dovuto al ghiaccio che modifica la superficie del nucleante, né al monostrato d'acqua che persiste sulla superficie del nucleante dopo la fusione. Anziché, le loro simulazioni hanno supportato una spiegazione in cui le fessure nel nucleante possono trattenere piccole quantità di ghiaccio che si sciolgono a temperature più elevate rispetto al resto del ghiaccio nell'esperimento. Se queste fessure sono adiacenti a una delle superfici dei cristalli di nucleante, questo è adatto a formare il ghiaccio, poi via alle gare quando inizia la seconda ondata di gelate.

Qualcosa nell'aria

Rimangono ancora altri misteri:gli studi di metà secolo sui cristalli organici hanno scoperto che ad alte pressioni, circa 1500 volte la pressione atmosferica, che i cristalli sono efficienti nell'organizzare le molecole d'acqua nel ghiaccio quanto un cristallo di ghiaccio stesso. Come mai? Questo è il fulcro dei prossimi esperimenti di Molinero.

Più immediatamente, anche se, il floroglucinolo è un composto presente in natura nell'atmosfera, quindi tutto ciò che i ricercatori possono apprendere su di esso e su altri nucleanti organici può aiutare a spiegare la capacità degli aerosol di nucleare il ghiaccio e regolare la formazione di nuvole e precipitazioni.

"Sarebbe importante indagare se i piccoli cristalliti di questi nucleanti di ghiaccio cristallino sono responsabili della sconcertante capacità di nucleazione del ghiaccio di aerosol organici altrimenti amorfi, "dice Molinero.