Los científicos han sido testigos del nacimiento de las nubes de hielo atmosféricas, creando cristales de nubes de hielo en el laboratorio y luego tomando imágenes del proceso a través de un microscopio, documentando esencialmente los primeros pasos de la formación de nubes.
El equipo fue testigo de un proceso conocido como nucleación de hielo con un detalle sin precedentes, tomando películas de lapso de tiempo de los primeros segundos cuando una partícula atrae el vapor de agua, formando cristales de hielo que se convierten en el núcleo de las nubes cirros heladas: las nubes altas y tenuesque actúan como una manta para nuestro planeta.
La forma en que se forman las nubes y lo que hacen tiene una gran influencia en nuestro clima y es un enfoque de los científicos que estudian nuestro planeta. Las nubes pueden reflejar la luz del sol, manteniendo el planeta fresco, o absorber la radiación de la Tierra, calentando el planeta. Este último esel caso de las nubes de hielo creadas bajo las condiciones de este estudio. La compleja química de las partículas en el aire que sirven como lugar de nacimiento de los cristales de hielo agrega desafíos adicionales.
"Esta es una de las partes más críticas pero menos comprendidas del proceso de cómo se forman las nubes frías", dijo el primer autor Bingbing Wang, científico que anteriormente trabajó en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía.
"El proceso fundamental de cómo crece el hielo se comprende relativamente bien, pero la nucleación del hielo, ese momento en el que se une el primer grupo de moléculas, sigue siendo un gran desafío", dijo Wang, quien ahora es profesor en la Universidad de Xiamen enPorcelana.
Para observar de cerca los pasos iniciales, Alexander Laskin, un líder del grupo EMSL, reunió a científicos de la Universidad de Stony Brook, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y PNNL, así como los recursos de dos oficinas de DOE deInstalaciones para usuarios científicos: EMSL y Advanced Light Source, que se encuentra en el Berkeley Lab. El equipo, con Daniel Knopf al frente del grupo Stony Brook y Mary Gilles al frente del grupo Berkeley, describe el trabajo en la edición del 21 de noviembre de Physical Chemistry ChemicalFísica.
Nube en un laboratorio
El primer paso para crear una nube fría microscópica es replicar las condiciones que se encuentran muy por encima de la superficie de la Tierra.
Para hacer eso, el equipo creó una cámara de clima controlado altamente confinado del tamaño de una semilla de amapola donde los científicos regulan condiciones como la temperatura, la presión y la humedad relativa con precisión. Luego, la muestra se puede colocar dentro del microscopio electrónico de barrido ambiental en EMSL.
Luego, el equipo se propuso recrear eventos de nucleación de hielo. Casi cualquier persona que vive en un clima más frío ha visto el fenómeno. Ocurre cuando el vapor de agua del aire se congela y se convierte rápidamente en hielo, por ejemplo, cuando se forman rayas heladas ensus ventanas durante las mañanas frías.
El proceso de nucleación del hielo también está en juego cuando los aviones se congelan o cuando se preparan y empaquetan alimentos congelados. La nucleación aberrante del hielo le daría a su helado la textura de cubitos de hielo congelados, por ejemplo.
En la atmósfera, las partículas en el aire, incluidas las que contienen polvo mineral, ceniza volcánica, material a base de carbono, hollín, emisiones de aviones o incluso microbios, son el núcleo de los eventos de formación de nubes. En este experimento, los científicos utilizaron partículas de caolinita, un mineralque los científicos suelen utilizar para estudiar el fenómeno.
Cuando las temperaturas son muy bajas, ya que están por encima de los 20.000 pies, donde se forman los cirros fríos, y la humedad relativa es alta, las partículas atraen el vapor de agua circundante que se congela y se deposita como hielo. Las nubes cirros están compuestas principalmente de cristales de hielo.que crecen absorbiendo el vapor de agua circundante.
Movimientos de partículas
El tamaño, la forma, la textura y otras características de la partícula juegan un papel en la forma en que se forma el cristal de hielo. Las partículas en el experimento tenían un tamaño de solo dos o tres micrones, menos de una décima parte del ancho de un cabello humano.Si bien muchos laboratorios estudian la nucleación del hielo, pocos comienzan con observaciones sobre partículas individuales para replicar las primeras etapas de la formación del hielo.
Durante los eventos de nucleación, el equipo de Laskin fotografió la partícula cada tres segundos, luego combinó las fotos en varias películas a intervalos. El microscopio electrónico de barrido de alta resolución ambiental pudo registrar regiones de la partícula de solo 50 nanómetros de ancho, aproximadamente unamilésimas del ancho de un cabello humano. Para el ojo inexperto, el ejercicio es similar a mirar al espacio en busca de pequeños puntos que en realidad son estrellas y planetas. En las películas de nucleación de hielo, pequeños cristales de hielo apenas visibles al principio crecen como aguael vapor se congela sobre ellos.
El equipo también usó el sistema para observar la nucleación de hielo en partículas recolectadas en la atmósfera el 19 de mayo de 2010, en la campaña de campo CalNex 2010. Las partículas, compuestas principalmente de carbono, nitrógeno y oxígeno, se pusieron bajo observación en EMSL.
En ambos conjuntos de experimentos, la nucleación tuvo lugar a temperaturas tan bajas como 205 grados Kelvin alrededor de menos 90 grados Fahrenheit y una humedad relativa de aproximadamente 70 a 80 por ciento.
"Pudimos monitorear momento a momento la formación de un cristal de hielo, a una resolución a nanoescala y bajo condiciones atmosféricas relevantes", dijo el coautor Daniel Knopf, un usuario de EMSL de la Universidad de Stony Brook. "Haciéndolo y sabiendo que estoEl proceso se replica un millón de veces, lo que da como resultado una nube visible a simple vista, es tremendamente emocionante y un gran paso adelante para nuestra comprensión predictiva de la formación de nubes con importantes ramificaciones para el clima ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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