В облаках образуются снежинки неправильной формы

Изучив начальные этапы роста кристаллов льда в условиях, соответствующих облакам, ученые пришли к выводу, что это явление протекает не так, как предполагает большинство теорий. Оказалось, что форма самых мелких кристаллов не шестиугольная, они представляют собой смесь кубической и шестиугольной решеток. Результаты работы представлены в журнале Nature.

При нормальных условиях шестиугольная структура льда наиболее устойчива. В большинстве работ, посвященных образованию капель в облаках, ученые предполагали, что симметрия расположения атомов в ледяных кристаллах именно такая, однако результаты нового исследования указывают, что это чрезмерное упрощение. В более реалистичных расчетах скорость начального роста кристалликов льда оказывается на три порядка выше, чем в стандартной теории.

Даже в теплом климате вода в облаках обычно замерзает. В самом начале процесса жидкая капля вырастает до определенного размера, затем в ней появляются центры кристаллизации, которые при некоторых условиях приводят к полной заморозке капли. Это условие определяется так называемым барьером свободной энергии, который устанавливает критический размер кристаллика, позволяющий ему продолжить рост и в конце концов заморозить всю воду в капле.

«Целью нашей работы было выяснить, какова структура кристалликов на вершине этого барьера и как она влияет на темп их роста», — говорит один из авторов исследования Валерия Молинеро. Оказалось, что, вопреки обычному представлению о доминировании шестиугольной симметрии, для небольших кристаллов более выгодной оказывается неупорядоченная структура из слоев с шестиугольной и кубической симметрией, а также молекул, которые не могут встроиться ни в одну из них.

При температуре в -33 °C скорость роста кристаллов со смешанной симметрией оказалась в 2000 раз выше, чем у обладающих только шестиугольной структурой, из-за разницы в высоте барьера свободной энергии. Полученные данные применимы только к очень маленьким кристаллам, состоящим из не более чем 100 000 молекул. Для более крупных образований, к которым, в частности, относятся видимые глазом снежинки, шестиугольная симметрия оказывается более выгодной. Авторы новой работы надеются, что их результаты повлияют на климатические модели и позволят точнее предсказывать погоду и изменение климата.