stringtranslate.com

Ледяной кристалл

Крупный план растущих кристаллов льда с типичной гексагональной симметрией.

Кристаллы льда — это твердый лед симметричной формы , включая шестиугольные столбцы, шестиугольные пластины и дендритные кристаллы . [1] Кристаллы льда ответственны за различные оптические проявления атмосферы и образования облаков . [1] [2]

Формирование

Пример шестиугольной пластины (вверху) и шестиугольной колонны (внизу), типичные формы кристаллов льда.

 При температуре и давлении окружающей среды молекулы воды имеют V-образную форму. Два атома водорода соединяются с атомом кислорода под углом 105°. [3] Кристаллы льда имеют гексагональную кристаллическую решетку , то есть молекулы воды при замерзании образуют слоистые шестиугольники . [1]

Более медленный рост кристаллов из более холодной и сухой атмосферы приводит к большей гексагональной симметрии. [2] В зависимости от температуры и влажности окружающей среды кристаллы льда могут превратиться из исходной шестиугольной призмы во множество симметричных форм. [4] Возможные формы кристаллов льда: столбцы, иглы , пластинки и дендриты . Возможны также смешанные узоры. [1] Симметричные формы возникают из-за роста отложений , когда лед образуется непосредственно из водяного пара в атмосфере. [5] Небольшие пространства в атмосферных частицах также могут собирать воду, замерзать и образовывать кристаллы льда. [6] [7] Это известно как нуклеация . [8] Снежинки образуются, когда дополнительный пар замерзает на существующем кристалле льда. [9]

При дальнейшем замерзании воды на кристалле льда образуются снежинки .

Тригональные и кубические кристаллы

Переохлажденная вода – это вода ниже точки замерзания , которая все еще остается жидкой. [10] Кристаллы льда, образовавшиеся из переохлажденной воды, имеют дефекты упаковки в своих слоистых шестиугольниках. Это заставляет кристаллы льда проявлять тригональную или кубическую симметрию в зависимости от температуры. Тригональные или кубические кристаллы образуются в верхних слоях атмосферы, где происходит переохлаждение. [11] [12]

Квадратные кристаллы

Вода может проходить через ламинированные листы оксида графена, в отличие от более мелких молекул, таких как гелий . Зажатая между двумя слоями графена , вода при комнатной температуре образует квадратные кристаллы льда. Исследователи полагают, что образованием управляет высокое давление и сила Ван-дер-Ваальса , сила притяжения , присутствующая между всеми молекулами. Материал представляет собой новую кристаллическую фазу льда. [3] [13]

Погодные явления

Ореол , созданный светом , отражающимся от кристаллов льда в перистых облаках. Это конкретное гало называется гало 46° .

Кристаллы льда создают оптические явления , такие как алмазная пыль и ореолы в небе, из-за отражения света от кристаллов в процессе, называемом рассеянием . [1] [2] [14]

Перистые облака и ледяной туман состоят из кристаллов льда. [1] [15] Перистые облака часто являются признаком приближающегося теплого фронта , когда теплый и влажный воздух поднимается и замерзает в кристаллы льда. [16] [17] Кристаллы льда, трущиеся друг о друга, также порождают молнии . [18] [19] Кристаллы обычно падают горизонтально, [20] но электрические поля могут заставить их слипаться и падать в других направлениях. [21] [22]

Обнаружение

Дендритные кристаллы льда, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа . Цвета сгенерированы компьютером .

Аэрокосмическая отрасль работает над созданием радара, который сможет обнаруживать кристаллы льда и распознавать опасные условия полета. Кристаллы льда могут таять при соприкосновении с поверхностью теплого самолета и повторно замерзать из-за условий окружающей среды. Накопление льда вокруг двигателя повреждает самолет. [23] [24] В прогнозировании погоды используются метеорологические радары с дифференциальной отражательной способностью для определения типов осадков путем сравнения горизонтальной и вертикальной длины капли. [25] Кристаллы льда крупнее в горизонтальном направлении [14] и поэтому их можно обнаружить.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcdef "ледяной кристалл". Словарь метеорологии . Американское метеорологическое общество . Проверено 29 марта 2023 г.
  2. ^ abc "Ледяные кристальные ореолы". www.its.caltech.edu . Проверено 30 марта 2023 г.
  3. ^ Аб Пуйу, Тиби (27 марта 2015 г.). «Зажатие воды между графеном приводит к образованию квадратных кристаллов льда при комнатной температуре». ЗМЭ Наука . Проверено 30 марта 2023 г.
  4. ^ Висконти, Гвидо (2001). Основы физики и химии атмосферы. Берлин: Шпрингер. ISBN 3-540-67420-9. ОСЛК  46320998.
  5. ^ «Сублимация и осаждение - Энергетическое образование». Energyeducation.ca . Проверено 10 апреля 2023 г.
  6. ^ Юта, Университет. «Мы неправильно думали о том, как лед образуется в перистых облаках». физ.орг . Проверено 30 марта 2023 г.
  7. ^ «Как в облаках образуются кристаллы льда». Журнал Wiley Analytical Science . Проверено 29 марта 2023 г.
  8. ^ UCL (9 декабря 2016 г.). «Понимание того, как в облаках образуются кристаллы льда». Новости УКЛ . Проверено 10 апреля 2023 г.
  9. ^ «Как образуются снежинки? Получите научные знания о снеге» . www.noaa.gov . 19 декабря 2016 года . Проверено 30 марта 2023 г.
  10. ^ «Суперпрохладные облака». Earthobservatory.nasa.gov . 20 декабря 2014 г. Проверено 10 апреля 2023 г.
  11. ^ Мюррей, Бенджамин Дж.; Зальцманн, Кристоф Г.; Хеймсфилд, Эндрю Дж.; Добби, Стивен; Нили, Райан Р.; Кокс, Кристофер Дж. (01 сентября 2015 г.). «Тригональные кристаллы льда в атмосфере Земли». Бюллетень Американского метеорологического общества . 96 (9): 1519–1531. Бибкод : 2015BAMS...96.1519M. дои : 10.1175/BAMS-D-13-00128.1 . ISSN  0003-0007. S2CID  120907603.
  12. ^ "Структура кубического льда (лед Ic)" . Water.lsbu.ac.uk . Проверено 10 апреля 2023 г.
  13. ^ Альгара-Силлер, Г.; Лехтинен, О.; Ван, ФК; Наир, РР; Кайзер, У.; Ву, ХА; Гейм, АК; Григорьева, ИВ (2015). «Квадратный лед в графеновых нанокапиллярах». Природа . 519 (7544): 443–445. arXiv : 1412.7498 . Бибкод : 2015Natur.519..443A. дои : 10.1038/nature14295. ISSN  1476-4687. PMID  25810206. S2CID  4462633.
  14. ^ ab Gedzelman, SD (01.01.2003), «ОПТИКА, АТМОСФЕРА | Оптические явления», в Холтоне, Джеймс Р. (редактор), Энциклопедия атмосферных наук , Оксфорд: Academic Press, стр. 1583–1594, doi :10.1016/b0-12-227090-8/00284-0, ISBN 978-0-12-227090-1, получено 30 марта 2023 г.
  15. ^ «Ледяной туман». Словарь метеорологии . Американское метеорологическое общество . Проверено 29 марта 2023 г.
  16. ^ "Перистые облака | Центр научного образования" . scied.ucar.edu . Проверено 30 марта 2023 г.
  17. ^ «Перистые облака». Метеорологическое бюро . Проверено 30 марта 2023 г.
  18. ^ Плейт, Фил (16 ноября 2016 г.). «Кристаллы льда над облаками танцуют под музыку электричества». Сланец . ISSN  1091-2339 . Проверено 30 марта 2023 г.
  19. ^ Канада, Окружающая среда и изменение климата (15 апреля 2011 г.). «Как работает молния». www.canada.ca . Проверено 30 марта 2023 г.
  20. ^ Стиллвелл, Роберт А.; Нили, Райан Р.; Тайер, Джеффри П.; Уолден, фон П.; Шупе, Мэтью Д.; Миллер, Натаниэль Б. (27 ноября 2019 г.). «Радиационное влияние горизонтально ориентированных кристаллов льда над вершиной вершины, Гренландия». Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 124 (22): 12141–12156. Бибкод : 2019JGRD..12412141S. дои : 10.1029/2018JD028963 . ISSN  2169-897X. S2CID  210640681.
  21. ^ Либбрехт, Кеннет Г. «Выращивание снежных кристаллов электрическим током». www.its.caltech.edu . Проверено 30 марта 2023 г.
  22. ^ Латам, Дж.; Сондерс, КНР (1964). «Агрегация кристаллов льда в сильных электрических полях». Природа . 204 (4965): 1293–1294. Бибкод : 1964Natur.204.1293L. дои : 10.1038/2041293a0. ISSN  1476-4687. S2CID  8747928.
  23. ^ Хейдман, Келли (11 августа 2015 г.). «Исследования летной кампании по радиолокационному обнаружению обледенения кристаллов льда». НАСА . Проверено 30 марта 2023 г.
  24. ^ Лукас, Ян; Бадин, Павел (10 июня 2019 г.). «Обнаружение ледяных кристаллов на большой высоте с помощью авиационного метеорологического радара X-диапазона». Международный журнал SAE о достижениях и современной практике в области мобильности . 2 (1): 256–264. дои : 10.4271/2019-01-2026. ISSN  2641-9637. S2CID  182542723.
  25. ^ Министерство торговли США, NOAA. «Продукты Dual-Pol». www.weather.gov . Проверено 30 марта 2023 г.

Внешние ссылки