211service.com
Ķīmiķi atklāj pārdzesēta ūdens sasalšanas punktu
Ir viegli iedomāties, ka ūdenim ir jābūt vienam no vislabāk saprotamajiem materiāliem zinātnē. Galu galā šis šķidrums, iespējams, ir vislabāk pētītā viela uz Zemes. Bet patiesība ir tāda, ka daudzas no tā īpašībām joprojām izraisa zinātniekus mistifikāciju.
Viena neatrisināta mīkla ir tās sasalšanas punkts. Zinātnieki jau daudzus gadus ir zinājuši, ka šķidru ūdeni var atdzesēt krietni zem nulles grādiem pēc Celsija, tam nesasalstot. Tas ir tāpēc, ka ūdenim ir nepieciešams kāds kodola veidošanās notikums, lai izraisītu ledus veidošanās procesu. Bez ledus veidošanās tas paliek šķidrs.
Bet cik zemu jūs varat iet?
Šodien mums ir sava veida atbilde, pateicoties Emīlijas Mūras un Valērijas Molinero darbam Jūtas Universitātē Soltleiksitijā.
Daļa no problēmas ir tā, ka sasalšanas temperatūras mērīšanas eksperimentus ir tik grūti veikt, ka neviens tos nav paveicis. Taču pierādījumi norāda uz iespējamību, ka ledus kristāli tik un tā sāk veidoties aptuveni -41 C temperatūrā.
Pārdzesētam ūdenim vajadzētu sasalst aptuveni šajā temperatūrā, taču nevienam nav izdevies to izmērīt, jo tas vienmēr sāk sasalt agrāk.
Mūrs un Molinero atrisina šo problēmu, datorā simulējot vairāk nekā 250 000 ūdens molekulu sasalšanas uzvedību. Viņi atklāj, ka, tiklīdz sākas dabiskais ledus veidošanās process, ūdens nevar palikt šķidrs daudz zemākā temperatūrā.
Faktiski to simulācija liecina, ka pārdzesēta ūdens dabiskā sasalšanas temperatūra ir aptuveni -43 C, tieši zem temperatūras, kurā ledus kristāli veidojas dabiski. Tas ir, kā paredzēts, taču simulācija sniedz arī jaunu ieskatu par to, kā notiek šī sasalšana.
Šajā stāvoklī ūdens ir zema blīvuma ledus un ūdens molekulu maisījums, kas ir uz robežas, lai kļūtu par ledu, ko ķīmiķi sauc par četrām saskaņotām nozīmēm, ka katra molekula ir saistīta ar četrām citām molekulām. Šķiet, ka četru saskaņotu ūdeņu struktūra būtiski ietekmē ledus veidošanās ātrumu, un tieši tas nosaka sasalšanas punktu.
Tomēr ir svarīgs brīdinājums. Simulācijām ir nepieciešama liela korekcija, pirms tās rada fiziski reālu rezultātu. Kādu iemeslu dēļ viņi liek domāt, ka dabiskā ledus veidošanās sāk notikt aptuveni -71 C temperatūrā un ka pārdzesēts ūdens sasalst apmēram -73 C temperatūrā.
Tas ir par 30 grādiem zemāks nekā reālajā pasaulē. Lai to apietu, Mūrs un Molinero visiem rezultātiem vienkārši pievieno 30 grādus. Nav skaidrs, kāpēc simulācija ir tik daudz beigusies.
Tomēr, ja darbs ir derīgs, tam varētu būt liela ietekme uz citām zinātnes jomām.
Temperatūra, kurā pārdzesēts ūdens sasalst, ir svarīgs mākoņu veidošanās faktors. Un nelielas izmaiņas šajā procesā, ja tās tiek iekļautas klimata pārmaiņu modeļos, var būtiski ietekmēt prognozes par Zemes nākotni.
Tas, kā jaunie skaitļi mainīs klimata prognozes, vēl nav skaidrs. Un, protams, klimatologi vēlēsies labākus pierādījumus nekā nedaudz dīvainu datorsimulāciju. Bet tas ir pienācīgs solis uz priekšu, un tam ir vērts sekot līdzi, ņemot vērā tā ietekmi citviet zinātnē.
Atsauce: arxiv.org/abs/1107.1622: Strukturālā transformācija pārdzesētā ūdenī kontrolē ledus kristalizācijas ātrumu