Неупорядоченный лед в облаках повысит точность прогноза погоды

С помощью компьютерного моделирования американские химики показали, что при кристаллизации льда в облаках наиболее выгодно образование не гексагональных, а неупорядоченных слоистых структур. Это приводит к увеличению скорости кристаллизации примерно на три порядка по сравнению с классической теорией. Учет такого механизма в современных моделях поможет повысить вероятность предсказания осадков. Результаты исследования опубликованы в Nature.

Одной из основных причин начала дождя является процесс кристаллизации капелек водного аэрозоля в облаках при отрицательных температурах. Если образовавшиеся нанометровые кристаллики льда окажутся достаточного размера, то из-за пересыщения они начнут увеличиваться в размерах и, набрав определенную массу, станут падать вниз, превращаясь в более теплых слоях атмосферы в дождевые капли. Поэтому скорость и механизм процесса нуклеации льда (возникновения первых зародышей кристаллов) в облаке является важным фактором, определяющим вероятность и количество осадков в данных условиях. Сейчас считается, что при нуклеации происходит образование термодинамически наиболее устойчивой фазы гексагонального льда I_h. Однако согласно некоторым исследованиям, в атмосферных условиях лед кристаллизуется с нарушением порядка, и в образовавшемся кристалле существуют не только гексагональный лед, но и отдельные слои кубического льда I_c. До настоящего момента было непонятно, является ли такая неупорядоченная фаза равновесной и как это влияет на вероятность осадков.

В своей новой работе для оценки энергетического состояния формирующихся зародышей американские химики провели компьютерное моделирование с учетом анализа маловероятных событий и расчета свободной энергии образующихся структур. Вся моделируемая система состояла из 100 тысяч молекул воды при температуре около −43 градусов Цельсия. В результате авторы работы рассмотрели более 28 тысяч различных путей кристаллизации льда, которые зависят от размера, энергии, формы изначально образовавшихся зародышей и процента кубической фазы в них.

Оказалось, что при таких условиях фаза из неупорядоченных слоев гексагонального и кубического льда является более энергетически выгодной, чем чистая гексагональная фаза. Разница энергий составляет примерно 14 килоджоулей на моль. Поэтому скорость кристаллизации такого льда примерно в 2 тысячи раз больше, чем предсказывает классическая теория. При этом вероятность образования неупорядоченного слоистого льда зависит от температуры и наиболее высокая в достаточно теплых условиях. Тем не менее, поскольку структура образовавшихся кристаллов определяется не столько энергией устойчивого состояния, сколько кинетикой роста кристаллов, поэтому при моделировании химики обнаружили зародыши не только с неупорядоченной упаковкой, но и с большими областями кубической и гексагональной структуры.

По словам ученых, полученные данные говорят о необходимости корректировки оценок для скорости кристаллизации льда в зависимости от размеров зародышей в атмосферных условиях, потому что предыдущие модели включали неправильный механизм кристаллизации. Особенно это важно для экстраполяции данных, полученных при других условиях в лабораторных условиях. Вероятно, учет правильного механизма кристаллизации может повысить точность предсказания образования осадков.

Многие научные группы занимаются изучением условий, при которых наблюдается образование тех или иных структур льда, как устойчивых, так и метастабильных. Так, недавно химики смогли синтезировать самый кубический на данный момент лед, в котором процент кубической фазы превышает 80 процентов. А другая группа ученых с помощью компьютерного моделирования показала, что при определенных условиях возможно существование устойчивых фаз льда пониженной плотности.

Александр Дубов