stringtranslate.com

Кристалл льда

Крупный план растущих кристаллов льда, демонстрирующих типичную гексагональную симметрию.

Кристаллы льда представляют собой твердый лед симметричной формы , включая шестиугольные колонны, шестиугольные пластины и дендритные кристаллы . [1] Кристаллы льда отвечают за различные атмосферные оптические проявления 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 форму буквы V. Два атома водорода связаны с атомом кислорода под углом 105°. [3] Кристаллы льда имеют гексагональную кристаллическую решетку , то есть молекулы воды выстраиваются в слоистые шестиугольники при замерзании. [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 развиваться из первоначальной гексагональной призмы во множество симметричных форм. [4] Возможные формы кристаллов льда — колонны, иглы , пластины и дендриты . Возможны также смешанные модели. [1] Симметричные формы возникают из-за осадочного роста , когда лед образуется непосредственно из водяного пара в атмосфере. [5] Небольшие пространства в атмосферных частицах также могут собирать воду, замерзать и образовывать ледяные кристаллы. [6] [7] Это известно как зародышеобразование . [8] Снежинки образуются, когда дополнительный пар замерзает на существующем ледяном кристалле. [9] [10]

Дальнейшее замерзание воды на ледяном кристалле приводит к образованию снежинок .

Тригональные и кубические кристаллы

Переохлажденная вода относится к воде ниже точки замерзания , которая все еще является жидкой. [11] Кристаллы льда, образованные из переохлажденной воды, имеют дефекты укладки 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. [12] [13]

Квадратные кристаллы

Вода может проходить через ламинированные листы оксида графена в отличие от более мелких молекул, таких как гелий . При сжатии между двумя слоями графена вода образует квадратные кристаллы льда при комнатной температуре. Исследователи полагают, что высокое давление и сила Ван-дер-Ваальса , сила притяжения, присутствующая между всеми молекулами, управляют образованием. Материал представляет собой новую кристаллическую фазу льда. [3] [14]

Погодные явления

Гало , созданное светом, отражающимся от ледяных кристаллов в перистых облаках. Это особое гало называется 46° гало .

Кристаллы льда создают оптические явления, такие как алмазная пыль и гало в небе, из-за света, отражающегося от кристаллов в процессе, называемом рассеянием . [1] [2] [15]

Перистые облака и ледяной туман состоят из ледяных кристаллов. [1] [16] Перистые облака часто являются признаком приближающегося теплого фронта , где теплый и влажный воздух поднимается и замерзает, превращаясь в ледяные кристаллы. [17] [18] Трение ледяных кристаллов друг о друга также вызывает молнии . [19] [20] Кристаллы обычно падают горизонтально, [21] но электрические поля могут заставить их слипаться и падать в других направлениях. [22] [23]

Обнаружение

Дендритные кристаллы льда, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа . Цвета созданы на компьютере .

Аэрокосмическая промышленность работает над созданием радара, который может обнаруживать ледяные кристаллы, чтобы распознавать опасные условия полета. Ледяные кристаллы могут таять, когда они касаются поверхности теплого самолета, и снова замерзать из-за условий окружающей среды. Накопление льда вокруг двигателя повреждает самолет. [24] [25] Прогнозирование погоды использует метеорологические радары с дифференциальной отражательной способностью для определения типов осадков путем сравнения горизонтальной и вертикальной длины капли. [26] Ледяные кристаллы больше в горизонтальном направлении [15] и, таким образом, их можно обнаружить.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdef "ледяной кристалл". Глоссарий метеорологии . Американское метеорологическое общество . Получено 29.03.2023 .
  2. ^ abc "Халос ледяных кристаллов". www.its.caltech.edu . Получено 2023-03-30 .
  3. ^ ab Puiu, Tibi (2015-03-27). "Помещение воды между графеном создает квадратные кристаллы льда при комнатной температуре". ZME Science . Получено 2023-03-30 .
  4. ^ Висконти, Гвидо (2001). Основы физики и химии атмосферы. Берлин: Springer. ISBN 3-540-67420-9. OCLC  46320998.
  5. ^ "Сублимация и осаждение - Энергетическое образование". energyeducation.ca . Получено 2023-04-10 .
  6. ^ Юта, Университет. «Мы неправильно представляли себе, как образуется лед в перистых облаках». phys.org . Получено 30.03.2023 .
  7. ^ "Как образуются кристаллы льда в облаках". Журнал Wiley Analytical Science Magazine . Получено 29.03.2023 .
  8. ^ UCL (2016-12-09). "Понимание того, как кристаллы льда образуются в облаках". Новости UCL . Получено 2023-04-10 .
  9. ^ "Скорости роста и привычки кристаллов льда между −20° и −70°C - Поиск Google". www.google.com . Получено 2024-03-10 .
  10. ^ «Как образуются снежинки? Узнайте науку о снеге». www.noaa.gov . 19 декабря 2016 г. Получено 30.03.2023 .
  11. ^ "Supercool Clouds". earthobservatory.nasa.gov . 2014-12-20 . Получено 2023-04-10 .
  12. ^ Мюррей, Бенджамин Дж.; Зальцманн, Кристоф Г.; Хеймсфилд, Эндрю Дж.; Добби, Стивен; Нили, Райан Р.; Кокс, Кристофер Дж. (2015-09-01). «Тригональные ледяные кристаллы в атмосфере Земли». Бюллетень Американского метеорологического общества . 96 (9): 1519–1531. Bibcode : 2015BAMS...96.1519M. doi : 10.1175/BAMS-D-13-00128.1 . ISSN  0003-0007. S2CID  120907603.
  13. ^ "Структура кубического льда (лед Ic)". water.lsbu.ac.uk . Получено 2023-04-10 .
  14. ^ Algara-Siller, G.; Lehtinen, O.; Wang, FC; Nair, RR; Kaiser, U.; Wu, HA; Geim, AK; Grigorieva, IV (2015). "Квадратный лед в графеновых нанокапиллярах". Nature . 519 (7544): 443–445. arXiv : 1412.7498 . Bibcode :2015Natur.519..443A. doi :10.1038/nature14295. ISSN  1476-4687. PMID  25810206. S2CID  4462633.
  15. ^ ab Gedzelman, SD (2003-01-01), "ОПТИКА, АТМОСФЕРНАЯ | Оптические явления", в Holton, James R. (ред.), Encyclopedia of Atmospheric Sciences , Oxford: Academic Press, стр. 1583–1594, doi :10.1016/b0-12-227090-8/00284-0, ISBN 978-0-12-227090-1, получено 2023-03-30
  16. ^ "Ледяной туман". Глоссарий метеорологии . Американское метеорологическое общество . Получено 29.03.2023 .
  17. ^ "Перистые облака | Центр научного образования". scied.ucar.edu . Получено 2023-03-30 .
  18. ^ "Перистые облака". Met Office . Получено 2023-03-30 .
  19. ^ Плэйт, Фил (16.11.2016). «Ледяные кристаллы над облаками танцуют под мелодию электричества». Slate . ISSN  1091-2339 . Получено 30.03.2023 .
  20. ^ Канада, Окружающая среда и изменение климата (2011-04-15). "Как работает молния". www.canada.ca . Получено 2023-03-30 .
  21. ^ Стиллвелл, Роберт А.; Нили, Райан Р.; Тайер, Джеффри П.; Уолден, Фон П.; Шуп, Мэтью Д.; Миллер, Натаниэль Б. (2019-11-27). «Радиационное влияние горизонтально ориентированных ледяных кристаллов над Саммитом, Гренландия». Журнал геофизических исследований: Атмосферы . 124 (22): 12141–12156. Bibcode : 2019JGRD..12412141S. doi : 10.1029/2018JD028963 . ISSN  2169-897X. S2CID  210640681.
  22. ^ Либбрехт, Кеннет Г. «Электрический рост снежных кристаллов». www.its.caltech.edu . Получено 30.03.2023 .
  23. ^ Latham, J.; Saunders, CPR (1964). «Агрегация ледяных кристаллов в сильных электрических полях». Nature . 204 (4965): 1293–1294. Bibcode :1964Natur.204.1293L. doi :10.1038/2041293a0. ISSN  1476-4687. S2CID  8747928.
  24. ^ Хайдман, Келли (2015-08-11). "Flight Campaign Studies Radar Detection of Ice Crystal Icing". NASA . Получено 2023-03-30 .
  25. ^ Лукас, Ян; Бадин, Павел (2019-06-10). «Обнаружение кристаллов льда на большой высоте с помощью метеорологического радара X-диапазона самолета». SAE International Journal of Advances and Current Practices in Mobility . 2 (1): 256–264. doi :10.4271/2019-01-2026. ISSN  2641-9637. S2CID  182542723.
  26. ^ Министерство торговли США, NOAA. «Dual-Pol Products». www.weather.gov . Получено 2023-03-30 .

Внешние ссылки