Понимание образования льда дополняет наши знания о том, как низкие температуры влияют на живые и неживые системы, в том числе о том, как живые клетки реагируют на холод и как лед образуется в облаках на больших высотах. Более точное знание начальных этапов замерзания может в конечном итоге помочь улучшить прогнозы погоды и модели климата, а также предоставить информацию для разработки лучших материалов для засева облаков с целью увеличения количества осадков.
Исследователи изучили процесс, при котором при понижении температуры молекулы воды начинают цепляться друг за друга, образуя сгусток твердого льда внутри окружающей жидкости. Эти капли имеют тенденцию быстро исчезать после их образования.
Иногда появляется достаточно большая капля, известная как критическое ядро, и она достаточно стабильна, чтобы расти, а не таять. Процесс образования такого критического зародыша известен как зарождение.Для изучения нуклеации исследователи использовали компьютерную модель воды, которая имитирует два атома водорода и один атом кислорода, присутствующие в реальной воде.
С помощью компьютерного моделирования исследователи вычислили среднее время, необходимое для формирования первого критического ядра при температуре около 230 градусов Кельвина или минус 43 градуса Цельсия, что характерно для условий в высотных облаках.Они обнаружили, что для кубического метра чистой воды время, необходимое для образования критического зародыша, составляет около одной миллионной доли секунды.
Исследование, проведенное Амиром Хаджи-Акбари, научным сотрудником с докторской степенью, и Пабло Дебенедетти, профессором химической и биологической инженерии, было опубликовано в Интернете на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.«Основное значение этой работы — показать, что можно рассчитать скорость зародышеобразования для относительно точных моделей воды», — сказал Хаджи-Акбари.
Помимо расчета скорости зародышеобразования, исследователи изучили происхождение двух различных кристаллических форм, которые лед может принимать при атмосферном давлении.
Лед, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни, известен как шестиугольный лед. Вторая форма, кубический лед, менее устойчива и может быть обнаружена в высотных облаках. Оба льда состоят из гексагональных колец с атомом кислорода на каждой вершине, но относительное расположение колец в этих двух структурах различается.«Когда вода зарождается, образуя лед, обычно существует комбинация кубической и гексагональной форм, но было не совсем понятно, почему это так», — сказал Хаджи-Акбари. «Мы смогли посмотреть, как формы ледяных капель меняются в процессе зародышеобразования, и один из основных результатов нашей работы — объяснить, почему менее стабильная форма льда предпочтительнее более стабильной шестиугольной формы льда на начальных стадиях. процесса зародышеобразования ".
Дебенедетти добавил: «В ходе моделирования мы обнаружили, что перед тем, как перейти к шестиугольному льду, мы склонны образовывать кубический лед, и это было очень приятно, потому что об этом сообщалось в экспериментах». По словам Дебенедетти, одной из сильных сторон исследования был инновационный метод, разработанный Хаджи-Акбари для идентификации кубических и гексагональных форм в компьютерном моделировании.
По словам Дебенедетти, профессора инженерных и прикладных наук и декана исследований в Принстоне в 1950 году, компьютерные модели пригодятся для изучения зародышеобразования, потому что проводить эксперименты при точных температурах и атмосферных условиях, когда зарождаются молекулы воды, очень сложно. Но на эти расчеты уходит огромное количество компьютерного времени.Хаджи-Акбари нашел способ завершить расчет, тогда как предыдущие попытки этого сделать не удалось.
Техника моделирования образования льда включает рассмотрение смоделированных на компьютере сгустков льда, известных как кристаллиты, по мере их образования. Обычно методика включает рассмотрение кристаллитов после каждого шага моделирования, но Хаджи-Акбари модифицировал процедуру таким образом, чтобы можно было исследовать более длительные интервалы времени, что позволило алгоритму сходиться к решению и получить последовательность кристаллитов, которая в конечном итоге привела к образование критического зародыша.Даже с учетом модификаций методике потребовалось около 21 миллиона часов компьютерных процессоров (CPU) для отслеживания поведения 4096 виртуальных молекул воды в модели, которая известна как TIP4P / Ice и считается одной из самых точных молекулярных моделей воды. . Расчеты проводились на нескольких суперкомпьютерах, а именно суперкомпьютерах Della и Tiger в Принстонском институте вычислительных наук и инженерии; суперкомпьютер Stampede в Техасском вычислительном центре; суперкомпьютер Gordon в Суперкомпьютерном центре Сан-Диего; и суперкомпьютер Blue Gene / Q в Политехническом институте Ренсселера.
Дебенедетти отметил, что скорость образования льда, полученная в их расчетах, намного ниже, чем была обнаружена экспериментально. Однако компьютерные расчеты чрезвычайно чувствительны, а это означает, что небольшие изменения некоторых параметров модели воды очень сильно влияют на расчетную скорость.
Исследователи смогли отследить расхождение, которое составляет 10 порядков величины, скорее в аспектах модели воды, чем в их методе. По мере совершенствования моделирования молекул воды исследователи смогут уточнить свои расчеты скорости.