Химики из Технологического института Карлсруэ, Гейдельбергского университета и Университетского колледжа Лондона впервые пронаблюдали рост кристаллов льда на частицах полевого шпата и описали его на молекулярном уровне. Пыль этого минерала считается одним из самых активных центров для образования кристаллов льда в облаках. По словам авторов, исследование поможет построить новую модель зародышеобразования и роста кристаллов льда, которая поможет лучше описать формирование атмосферных осадков. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз Технологического института Карлсруэ.

Образование осадков в облаках начинается с формирования капель или кристаллов льда. Увеличивающаяся масса не позволяет частицам продолжать поддерживаться на потоках воздуха и они начинают выпадать в виде дождя, снега или града. Первая ступень любого процесса кристаллизации (превращения газообразного, жидкого или растворенного вещества в твердое) — это зародышеобразование. Под этим термином понимают образование самого первого фрагмента кристалла, на который впоследствии будут нарастать вещество. Этот процесс может происходить спонтанно, в толще вещества — из-за случайного повышения концентрации вещества в какой-то точке, — а может использовать «удобные» поверхности. 

Наиболее распространенными центрами зародышеобразования являются минеральные песчинки, поднимаемые в воздух ветром. В 2008 году было показано, что значительную роль играют и биологические объекты — бактерии и другой аэропланктон. Они составляют примерно треть всех центров конденсации. Кроме того, к числу объектов, запускающих рост зародышей относятся космические частицы. Описание темпов роста кристаллов в облаках во многом основано на эмпирических данных — точные молекулярные механизмы плохо изучены. До сих пор неясно, какие свойства делают тот или иной минерал хорошим центром роста кристаллов, и что влияет на этот параметр в большей степени. 

Новая работа посвящена исследованию роста кристаллов льда на частицах полевого шпата. Авторы объясняют свой выбор ссылаясь на недавние работы, описывающие минерал как один из наиболее активных в контексте конденсации частиц в облаках. Полевой шпат — алюмосиликат калия, широко распространенный на Земле. Химики напрямую следили за ростом кристаллов воды на частицах минерала с помощью сканирующего электронного микроскопа. 

Рост кристаллов на полевом шпате. Alexei Kiselev et al./ Science, 2016

Оказалось, что рост кристаллов происходит преимущественно на сколах и трещинах в частицах. При этом, все образующиеся кристаллы были одинаково ориентированы, что указывает на то, что кристаллическая решетка шпата влияет на направление роста льда. По словам авторов, рост льда происходит на сколах, ориентированных определенным образом (100) к кристаллической решетке минерала. Такие грани практически отсутствуют в природных кристаллах, поскольку их образование энергетически невыгодно, но небольшие их участки возникают в трещинах и сколах. Химики отмечают, что важную роль играют гидроксильные (OH-) группы, расположенные на этой плоскости — на это указывают данные молекулярного моделирования.

Автор: Владимир Королёв