Un diagramma della barriera di energia libera rappresenta l'energia necessaria per sostenere la nucleazione del ghiaccio, con un piccolo diagramma di un cristallite sufficientemente dimensionato al culmine della barriera. Un modello in scala più grande (a destra) mostra un segmento cubico di un cristallite più grande, con molecole impilate cubicamente in rosso e molecole impilate esagonali in blu. Credito:Università dello Utah
Succede qualcosa di quasi magico quando metti un vassoio pieno di schizzi, acqua liquida in un congelatore ed esce più tardi come un rigido, cristallo solido di ghiaccio. I chimici dell'Università dello Utah hanno alzato un po' di più il sipario sul processo di congelamento, in particolare nelle nuvole.
La loro ricerca mostra che quando le gocce d'acqua si congelano nelle nuvole, la struttura del cristallo di ghiaccio non è necessariamente la classica struttura a fiocco di neve esagonale. Piuttosto, una struttura di ghiaccio più disordinata si forma più facilmente del ghiaccio esagonale in determinate condizioni di nuvolosità, permettendo alle gocce d'acqua nelle nuvole di trasformarsi in ghiaccio più rapidamente di quanto previsto in precedenza. Il lavoro riconcilia i modelli teorici delle nuvole con le osservazioni dei tassi di congelamento. Lo studio è pubblicato su Natura .
Perché l'acqua si congela?
Anche nei climi caldi, le precipitazioni di solito iniziano con le gocce d'acqua nelle nuvole che si trasformano in ghiaccio. Come mai? "Queste goccioline di liquido possono raggiungere una certa dimensione, "dice Valeria Molinero, professore di chimica all'Università dello Utah, "ma crescere fino a una dimensione abbastanza grande da poter cadere dal cielo, queste goccioline devono crescere molto più grandi."
Il modo migliore per crescere è trasformarsi in ghiaccio. Una piccola particella atmosferica, chiamato aerosol, può avviare il processo di congelamento in acqua refrigerata. Oppure il processo può iniziare spontaneamente, con una piccola regione di molecole d'acqua ordinate che appaiono all'interno della gocciolina. Se quel "cristallo" è abbastanza grande, quindi la gocciolina può congelarsi e continuare a crescere attirando il vapore acqueo circostante. Il processo di crescita dei cristalli da un piccolo nucleo è chiamato nucleazione.
Superare la barriera
I piccoli nuclei di cristallo affrontano una barriera alla crescita. A causa delle interazioni tra un piccolo solido e il liquido che lo circonda, un cristallite deve raggiungere una certa dimensione per poter continuare a crescere e non semplicemente sciogliersi. Immagina una collina. Se spingi una roccia su per una collina ma non arrivi fino in cima, il rock torna al punto di partenza. Ma se lo spingi abbastanza lontano, rotola giù dall'altra parte. La sommità della collina (chiamata barriera di energia libera) stabilisce la dimensione critica per continuare a far crescere il cristallite.
Nuclei di ghiaccio con cubicità e dimensioni sufficienti per continuare la formazione del ghiaccio. Le molecole rosse mostrano una configurazione molecolare cubica e le molecole blu sono in un ordine esagonale del ghiaccio. Credito:Università dello Utah
"L'obiettivo del nostro articolo è mostrare qual è la struttura del cristallite nella parte superiore di questa barriera e qual è l'implicazione per il tasso di nucleazione, "dice Molinero.
In precedenza, i chimici presumevano che la struttura del ghiaccio in cima alla barriera energetica fosse la struttura esagonale vista nei fiocchi di neve (sebbene i fiocchi di neve siano molto più grandi dei cristalliti). È una struttura molto stabile. "L'ipotesi che sia esagonale è quella più intuitiva, "dice Laura Lupi, uno studioso post-dottorato e primo autore sul Natura carta.
Torta a strati mischiata
Simulazioni precedenti hanno scoperto che in alcune condizioni nuvolose, però, i cristalliti con una struttura disordinata erano più favoriti. Queste strutture "impilabili disordinate" sono un mix di molecole a strati che non si depositano nella struttura cristallina esagonale o cubica. Nel loro studio, Lupi e Molinero trovarono che ad una temperatura di 230 K, o -45 gradi Fahrenheit, la barriera di energia libera per il cristallite disordinato impilato è 14 kJ/mol più piccola di quella per il ghiaccio esagonale. In altre parole, il ghiaccio disordinato ha una "collina" molto più piccola del ghiaccio esagonale e si forma intorno a 2, 000 volte più veloce.
Ciò aiuta i modellisti di cloud a comprendere meglio i loro dati di osservazione relativi ai tassi di congelamento nelle nuvole. I precedenti modelli di nucleazione che utilizzavano ghiaccio esagonale non potevano catturare tutto il comportamento di una nuvola perché quei modelli estrapolavano i tassi di nucleazione attraverso le temperature delle nuvole senza comprendere gli effetti della temperatura su quei tassi. Lo studio di Lupi e Molinero inizia a correggere quei modelli. "I tassi di nucleazione del ghiaccio possono essere misurati solo in un intervallo di temperature molto ristretto, "Molinero dice, "ed è estremamente difficile estrapolarli a temperature più basse che sono importanti per le nuvole ma inaccessibili agli esperimenti".
In virtù delle loro dimensioni, i fiocchi di neve sono più stabili come il ghiaccio esagonale, Lupi e Molinero dicono. I loro risultati si applicano solo a cristalliti molto piccoli. Lupi afferma che il loro lavoro può aiutare i modellatori di nuvole a creare modelli più accurati della fase dell'acqua all'interno delle nuvole. "Se hai tante gocce d'acqua a una certa temperatura, vuoi prevedere quante si trasformeranno in goccioline di ghiaccio, " dice. Migliori modelli di nuvole possono portare a una migliore comprensione di come le nuvole riflettono il calore e producono precipitazioni.
Molinero afferma che il loro lavoro migliora la comprensione fondamentale della velocità con cui l'acqua forma il ghiaccio, un processo che si svolge ogni giorno nelle nuvole e nei congelatori. Ed è un processo, non un evento istantaneo, aggiunge Molinero. "La trasformazione non è solo andare sotto zero e basta, " dice. "C'è una velocità con cui avviene la transizione, controllata dalla barriera di nucleazione. E la barriera è più bassa di quanto precedentemente previsto".
