Révéler les secrets de la congélation dans les gouttelettes d’eau surfondues

Les nuages ​​sont plus froids que vous ne le pensez. En fait, les scientifiques diraient qu’il est si remarquable parce qu’il est composé de millions de gouttelettes d’eau surfondues, des gouttes qui ont été refroidies sous le point de congélation mais qui ne se sont pas encore transformées en glace. Lorsque ces gouttelettes gèlent, elles peuvent accélérer la congélation de l’ensemble du nuage grâce à un processus appelé production de glace secondaire. Il s’agit d’un processus rapide et complexe qui se produit à différentes échelles de temps et de durée.

« Les chercheurs de la communauté des sciences atmosphériques tentent de comprendre comment la glace est produite si efficacement dans les nuages, et aussi quel type de glace se forme », a déclaré Claudio Stan, scientifique à l’Université Rutgers. « Lorsque de la glace se forme dans de l’eau très froide, l’eau gèle beaucoup plus rapidement que si vous attendiez que de la glace se forme dans le congélateur. Et ce que les gens ont déjà vu, c’est que vous n’obtenez pas le même type de glace que vous sortez. » du congélateur. Mais jusqu’à présent, c’était difficile. Très agréable de voir ce qui se passe au début du gel. »

Une équipe de chercheurs a exploré de près ce processus complexe en utilisant Source de lumière cohérente Linac (LCLS) Laser à rayons X, situé au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l’Énergie.

Les chercheurs ont développé un modèle du processus de congélation qui comprend sept étapes distinctes et ont découvert une structure inattendue en cours de route. Leurs résultats ont été publiés aujourd’hui dans natureCela pourrait améliorer notre compréhension du comportement des nuages ​​et de son impact sur le climat.

« Le gel de ces minuscules gouttelettes est un phénomène qui n’est pas entièrement compris et peut contenir des indices qui peuvent nous aider à mieux comprendre le changement climatique », a déclaré Stan, qui a dirigé l’étude. « Nous avons découvert que le processus est en réalité plus complexe qu’on ne le pense. »

structure inattendue

Au LCLS, l’équipe a utilisé deux méthodes pour étudier des dizaines de milliers de minuscules gouttelettes d’eau : la microscopie optique, qui grossit de minuscules objets en déviant la lumière à travers une série de lentilles, et la diffraction des rayons X, une technique dans laquelle les scientifiques bombardent un échantillon avec X -des rayons. Et regardez le motif qu’ils forment lorsqu’ils rebondissent pour voir comment ses atomes ou ses molécules sont disposés. Ils ont réalisé que les premières étapes de la congélation sont presque indépendantes des facteurs environnementaux, ils ont donc rapidement refroidi les gouttelettes sous vide pour aider à capturer ces étapes. La diffraction des cristaux de glace formés a montré qu’un arrangement cristallin s’était formé peu de temps après le début du processus de congélation.

La diffraction du liquide laissé entre les cristaux de glace a montré des motifs similaires à ce que l’on pourrait voir à la surface de la glace, où il y a une très fine couche qui n’est ni complètement liquide ni solide. Les chercheurs ont également découvert que la glace forme un arrangement cristallin hexagonal tendu ou comprimé immédiatement après la congélation. Cette structure inattendue, qui n’a jamais été observée auparavant, est un état temporaire instable qui précède probablement la formation de glace ainsi que d’autres types d’anomalies dans la structure cristalline.

« Ce gel se produit très rapidement et dans une très petite zone », a déclaré le scientifique du SLAC, Sébastien Botet. « C’est là que le laser à rayons X entre en jeu. Il nous permet de suivre ces changements ultra-rapides, en prenant des instantanés des molécules du cristal pour voir comment elles se comportent tout au long du processus. »

se transforme en glace

La congélation des gouttelettes surfondues passe par différentes étapes. Les chercheurs ont identifié sept de ces étapes dans leur système et les ont organisées dans un modèle prédictif. D’abord, un petit morceau de glace qui se forme dans l’eau très froide. La glace commence alors à se développer selon des motifs arborescents, modifiant légèrement la forme de la gouttelette et gelant la moitié de l’eau à l’intérieur.

Ensuite, une couche externe lisse de glace se forme autour de la partie médiane qui contient des motifs de glace en forme d’arbre et un peu de liquide. Au fur et à mesure que l’eau se dilate en se transformant en glace, de petites structures de glace pointues commencent à apparaître à la surface de la gouttelette lorsque le liquide interne est expulsé à travers les fissures de la couche de glace externe.

Bientôt, la goutte forme des structures de glace pointues de plus en plus grandes. La glace en expansion fait que certaines des gouttelettes se brisent, mais ne se désagrègent pas. D’autres gouttes se brisent complètement en morceaux sous la pression de la glace en expansion.

« Il s’agit d’un processus très complexe, car certaines de ces étapes commencent à des moments et des lieux changeants, de sorte que chaque goutte se fige d’une manière légèrement différente », a déclaré Stan. « Au début, nous n’étions pas sûrs de pouvoir le modéliser sur la base des données dont nous disposions, mais nous avons pu créer un modèle comportant sept étapes de congélation et prédisant également une congélation légèrement différente pour chaque goutte. En raison de notre succès, nous pensons que ces modèles de congélation peuvent également être réalisés pour des gouttelettes dans les nuages. »

Complète l’image

Maintenant qu’ils ont une meilleure idée de ce qui se passe au début de ce processus de congélation, les chercheurs prévoient de mener des expériences de suivi à différents moments pour obtenir une image plus complète.

La recherche fournit une compréhension détaillée de la façon dont les gouttelettes d’eau surfondues gèlent, ce qui pourrait conduire à de nouvelles connaissances sur les processus de l’atmosphère et du système climatique au sens large. Au-delà de cela, les techniques utilisées peuvent aider les chercheurs à mieux comprendre le processus de congélation ou de solidification dans d’autres matériaux ou dans des conditions météorologiques.

« Lorsque nous avons commencé cette expérience, nous pensions que nous allions confirmer la structure instable des cristaux de glace qui avait été vue précédemment à des délais plus longs, et nous avons fini par observer quelque chose de complètement inattendu », a déclaré Stan. « Maintenant, nous avons une meilleure compréhension de ce qui se passe au début d’un gel, ce que je trouve très excitant. »

LCLS est une installation utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l’Énergie. Cette recherche a été soutenue par l’Office of Science.

Citation : Armin Kalita et al nature16 août 2023 (10.1038/s41586-023-06283-2)