Команда стала свидетелем процесса, известного как зарождение льда, с беспрецедентной детализацией, сделав покадровые видеоролики первых нескольких секунд, когда частица притягивает водяной пар, образуя кристаллы льда, которые становятся ядром ледяных перистых облаков — высоких тонких облаков, которые действуют. как одеяло для нашей планеты.То, как формируются облака и что они делают, имеет большое влияние на наш климат и является предметом внимания ученых, изучающих нашу планету. Облака могут отражать солнечный свет, сохраняя планету в прохладе, или поглощать излучение Земли, нагревая планету.
Последнее верно для ледяных облаков, созданных в условиях данного исследования. Сложный химический состав переносимых по воздуху частиц, которые служат местом рождения кристаллов льда, создает дополнительные проблемы.«Это одна из наиболее важных, но наименее изученных частей процесса формирования холодных облаков», — сказал первый автор Бинбин Ван, ученый, ранее работавший в EMSL, Лаборатории молекулярных наук в окружающей среде Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США.
«Фундаментальный процесс роста льда относительно хорошо изучен, но зарождение льда — тот момент, когда первая группа молекул объединяется — остается большой проблемой», — сказал Ван, который сейчас является профессором Сямэньского университета в Китае.Чтобы поближе познакомиться с начальными шагами, Александр Ласкин, руководитель группы EMSL, собрал вместе ученых из Университета Стоуни-Брук, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и PNNL, а также ресурсы двух сотрудников Управления науки Министерства энергетики США. Услуги: EMSL и усовершенствованный источник света, который находится в лаборатории Беркли. Команда, во главе с Дэниелом Кнопфом, возглавляющим группу в Стоуни-Брук, и Мэри Жиль, возглавляющей группу в Беркли, описывает работу в выпуске журнала Physical Chemistry Chemical Physics от 21 ноября.
Облако в лабораторииПервым шагом к созданию микроскопического холодного облака является воспроизведение условий, обнаруженных высоко над поверхностью Земли.Для этого команда создала очень замкнутую камеру с климат-контролем размером с маковое зерно, где ученые точно регулируют такие условия, как температура, давление и относительная влажность.
Затем образец можно поместить в сканирующий электронный микроскоп окружающей среды в EMSL.Затем команда приступила к воссозданию событий зарождения льда.
Почти каждый, кто живет в более холодном климате, видел это явление. Это происходит, когда водяной пар из воздуха замерзает и быстро превращается в лед, например, когда на ваших окнах холодным утром образуются морозные полосы.Процесс образования льда также имеет место при обледенении самолета или при изготовлении и упаковке замороженных продуктов. Аберрантное зародышеобразование льда придаст вашему мороженому текстуру, например, замороженных кубиков льда.
В атмосфере частицы, содержащиеся в воздухе, в том числе содержащие минеральную пыль, вулканический пепел, углеродсодержащие материалы, сажу, выбросы самолетов или даже микробы, лежат в основе событий образования облаков. В этом эксперименте ученые использовали частицы каолинита, минерала, который ученые часто используют для изучения этого явления.Когда температура очень низкая — например, выше 20 000 футов, где образуются холодные перистые облака — и относительная влажность высока, частицы притягивают окружающий водяной пар, который замерзает и осаждается в виде льда.
Перистые облака в основном состоят из кристаллов льда, которые растут, поглощая окружающий водяной пар.Щелчки частицРазмер, форма, текстура и другие характеристики частицы играют роль в формировании кристаллов льда.
Размер частиц в эксперименте составлял всего два или три микрона — менее одной десятой ширины человеческого волоса. В то время как многие лаборатории изучают зародышеобразование льда, немногие начинают с наблюдений за отдельными частицами, чтобы воспроизвести самые ранние стадии образования льда.Во время событий зародышеобразования команда Ласкина фотографировала частицу каждые три секунды, а затем объединила фотографии в нескольких покадровых видеороликах. Сканирующий электронный микроскоп высокого разрешения позволил зафиксировать на частице области шириной всего 50 нанометров, что составляет примерно одну тысячную ширины человеческого волоса.
Для неподготовленного глаза это упражнение похоже на наблюдение в космосе в поисках маленьких точек, которые на самом деле являются звездами и планетами. В фильмах о зародышеобразовании льда маленькие кристаллы льда, которые сначала едва видны, растут, когда на них замерзает водяной пар.
Команда также использовала систему для наблюдения за образованием льда на частицах, собранных в атмосфере 19 мая 2010 года, во время полевой кампании CalNex 2010. Частицы, состоящие в основном из углерода, азота и кислорода, находились под наблюдением в EMSL.
В обеих сериях экспериментов зародышеобразование происходило при температуре всего 205 градусов Кельвина (около минус 90 градусов по Фаренгейту) и относительной влажности примерно от 70 до 80 процентов.«Мы смогли момент за моментом отслеживать формирование кристаллов льда с наноразмерным разрешением и в атмосферно релевантных условиях», — сказал соавтор Дэниел Кнопф, пользователь EMSL из Университета Стони Брук. «Выполнение этого и знание того, что этот процесс повторяется миллион раз, в результате чего облако становится видимым невооруженным глазом, является чрезвычайно захватывающим и огромным шагом вперед в нашем прогнозном понимании образования облаков с важными последствиями для климата».