Cristale de gheață

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Cristale de gheață
Ace de gheață

Odată cu tranziția de fază de la starea lichidă la cea solidă , apa tinde să fie configurată în cristale de gheață, adică în formațiuni a căror structură spațială prezintă un aranjament rigid ordonat și regulat, observabil în diferite scale dimensionale.

La nivel molecular, apa din faza solidă ( gheața ) poate lua o gamă largă de forme, atât stabile, cât și metastabile , cristaline sau amorfe , cu o varietate și lățime care nu se regăsesc în niciun alt material [1] . Se știe că aproximativ douăzeci de forme au fost asumate în procesul de cristalizare , dintre care doar două sunt observate în condițiile de mediu ale biosferei (una dintre acestea, cea hexagonal simetrică , este forma dominantă și aproape exclusivă, cu excepția excepțiilor ocazionale în atmosfera superioară. ), în timp ce toate celelalte sunt obținute în condiții speciale recreate în laborator.

De asemenea, s-a emis ipoteza existenței altor forme cristaline care, deși nu sunt observate în natură sau produse în laborator, sunt considerate posibile (sau cel puțin nu imposibile) pe baza rezultatelor simulărilor pe computer folosind modele matematice moleculare [2] . Utilitatea practică a acestor forme de gheață depinde în mod evident de comparația cu datele experimentale și de obținerea lor în laborator [2] .

Printre stările cristaline ipotetice și imaginate, există și una care are doar consistență literară, Ice-nine (nu trebuie confundat cu Ice IX ), un dispozitiv narativ creat de Kurt Vonnegut , a cărui posibilă fezabilitate în laborator, exclusă de către cercetători, ar putea pune în mână, unui ipotetic om de știință nebun , puterea de a distruge întreaga antroposferă , înghețând-o complet [3] .

Pe scări macroscopice, există numeroase forme observabile în biosferă, adesea caracterizate prin simetrii fascinant (cum este cazul, de exemplu, cu geometriile fractale de fulgi de zăpadă ): printre aceste forme macroscopice există hexagonale coloane, plăcile hexagonale, cristaline dendrite , ace și praf de diamant .

Interacțiunea cristalelor de gheață cu radiația electromagnetică din atmosferă este la originea unor fenomene optice particulare cunoscute și investigate din cele mai vechi timpuri .

Formare

Flori de gheață

Cristalogeneza

Structurarea în forme foarte simetrice se datorează creșterii cristalelor de gheață prin depunerea (în mod specific, depunerea directă ) a vaporilor de apă pe cristalele de gheață. În funcție de nivelurile de umiditate și temperatura ambiantă, cristalele de gheață se pot dezvolta din configurația lor hexagonală originală pentru a lua numeroase forme simetrice, cum ar fi coloane, ace, plăci, dendrite, care păstrează o urmă mai mult sau mai puțin marcată a simetriei hexagonale originale.

Dacă, în timpul acestui proces, un cristal se mută într-un loc diferit, unde întâlnește condiții modificate de microclimat de mediu (sau, chiar și în absența deplasării, condițiile externe prezente în loc se schimbă în timp), modelul de acumulare se poate schimba într-un imprevizibil: se poate întâmpla, în acest fel, ca rezultatul final să fie un cristal cu un amestec de tipare. Un exemplu este oferit de coloanele cu glugă.

Gheață minimă

Numărul minim de molecule necesare formării unui cristal de gheață a fost determinat pentru prima dată în 2012 de cercetătorii de la Max-Planck-Institut for Physical Chemistry din Gottingen și de la Universitatea de Chimie și Tehnologie din Praga [4] . Spectrometrie de masă au examinat nanoagregate de tip (H 2 O) n, identificând cu precizie cele care conțin de la 85 la 475 molecule (studiile anterioare au limitat intervalul de tranziție la valori cuprinse între 100 și 1000 molecule); investigând formarea stărilor legate de un cristal (indicat printr-o bandă distinctă de absorbție pe spectroscopie în infraroșu ), s-a descoperit că formarea unei structuri asemănătoare cristaline necesită agregarea unui număr de cel puțin 275 (± 25) molecule d apă [4] .

Geometrie

„Coloane cu glugă” cu depozit de „spumă” la capete ( calabrosa )
Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Sistem hexagonal , Sistem cubic , Ice Ih , Ice Ic , Ice II și Ice XV .

Moleculele de apă au o structură simplă în formă de V, cu cei doi atomi de hidrogen dispuși să formeze un unghi de aproximativ 105 ° față de vârful ocupat de atomul unic de oxigen . Legăturile dintre aceste molecule dau naștere la comportamentul macroscopic complex al apei, atât în ​​faza lichidă, cât și în faza solidă: în acest din urmă caz, aceasta variază de la diferite condiții amorfe la diferite stări cristaline; bine cunoscute sunt fascinantele geometrii fractale ale fulgilor de zăpadă . Structura ramificată complexă a acestuia din urmă păstrează reflexia evidentă a unei simetrii de rețea hexagonale originale. Forma simetrică hexagonală, numită Ice I h , este cea dominantă pe suprafața Pământului în condiții normale de mediu, în timp ce, uneori [5] , în condițiile celor mai extreme temperaturi ale atmosferei superioare , varianta sa cubică metastabilă , numită Gheața , poate fi întâlnită I c , care se formează la temperaturi cuprinse între 130 și 220 K (-140 și -50 ° C), care pot exista până la 240 K [6] [7] .

Clasificarea soiurilor în fază solidă

În plus față de formele amorfe și cele două cristaline deja menționate, care pot fi găsite în condiții terestre mai mult sau mai puțin obișnuite, apa în faza solidă apare și în diferite alte forme, obținute prin proceduri de laborator în care sunt condiții de mediu artificiale mult mai extreme reprodus în termeni de temperatură și presiune. Totalul formelor solide cunoscute se ridică la peste 21, cu trei faze amorfe și cel puțin 18 cristaline [8] .

Tabel sinoptic al fazelor solide ale apei (în forme amorfe sau cristaline)
Fază Caracteristici fizice
Gheață amorfă Gheața amorfă nu are o structură cristalină. Există în trei forme [9] :
  • gheață amorfă de densitate mică (LDA), formată la presiuni egale sau mai mici decât presiunea atmosferică de sub ea. Se formează prin răcirea extrem de rapidă a apei lichide („ apă de sticlă supraîncălzită ”, HGW), prin depunerea vaporilor de apă pe substraturi foarte reci („apă solidă amorfă”, ASW) sau prin încălzirea formelor de gheață la presiune ambientală cu densitate ridicată (LDA) );
  • densitate mare (HDA) sau densitate foarte mare (VHDA), care se formează la presiuni mai mari.
Ice I h
(sau hexagonal )		 Gheață cristalină hexagonală normală, un tip care epuizează aproape toată gheața prezentă în biosferă , cu singura excepție a cantităților mici de gheață I c care uneori se pot forma în atmosfera superioară [10] .
Gheață I c Varianta cristalină cubică metastabilă , în care dispunerea atomilor de oxigen presupune o configurație similară cu cea a atomilor de carbon din rețeaua diamantată . Apare la temperaturi cuprinse între 130 și 220 K (-140 și -50 ° C) și poate exista până la 240 K [6] [7] , când se transformă în gheață I h . Poate fi prezent ocazional în atmosfera superioară (heterosferă) [5] [11] .
Ice I sd Are o structură metastabilă în care alternează straturi de gheață hexagonală și cubică. Se crede că această structură joacă un rol semnificativ în structurile cubice, unde planurile cubice sunt adesea găsite aleatoriu. Descris pentru prima dată în 2000 , se găsește în multe tipuri de nori, inclusiv în nori cirusi din troposfera superioară și în sfere lăsate de avioanele cu reacție [12] .
Gheață II O formă cristalină romboedrică cu o structură extrem de ordonată. Se formează din gheață I h , comprimându-l la o temperatură de 190-210 K. Când este încălzit, suferă transformare în gheață III .
Gheață III O gheață cristalină tetragonală , formată prin răcirea apei până la 250 K la 300 MPa. Mai densă decât apa, Ice III este cea mai puțin densă dintre fazele de presiune ridicată.
Ice IV O fază romboedrică metastabilă . Se poate forma din gheață amorfă de înaltă densitate prin încălzirea lentă la o presiune de 810 MPa. Nu se formează ușor fără un agent de nuclere pentru a promova nucleația [13] .
Ice V O fază cristalină monoclinică care se formează prin răcirea apei la 253 K la 500 MPa. Reprezintă cea mai complexă structură din toate fazele [14] .
Gheață VI O fază cristalină tetragonală, realizată prin răcirea apei la 270 K la 1,1 GPa. Prezintă comportamentul fizic cunoscut al relaxării Debye [15] .
Gheață VII Faza cubică. Pozițiile atomilor de hidrogen sunt dezordonate. La fel ca Ice VI , prezintă relaxare Debye . Legăturile de hidrogen formează două rețele interpenetrante [16] . Existența sa în stare naturală a fost demonstrată în 2018, când Ice VII a fost identificată în cadrul incluziunilor observate în diamantele naturale. Se presupune că Ice VII s-a format atunci când apa prinsă în interiorul diamantelor a păstrat presiunea ridicată a mantalei profunde datorită rezistenței și rigidității rețelei de cristal a diamantului, dar s-a răcit la temperaturi de suprafață . Terestre , circumstanțe care au creat mediul favorabil în termeni de presiune foarte mare, dar fără temperaturile foarte ridicate ale mantalei [17] . Înainte de această descoperire, oamenii de știință au emis ipoteza existenței sale pe fundul oceanului din Europa sau exoplanete precum Gliese 436 b și Gliese 1214 b , care sunt formate în mare parte din apă [18] [19]

Descoperirea prezenței sale în natură a determinat Asociația Internațională Mineralogică să clasifice gheața VII drept un adevărat mineral în sine [20]

Gheața VIII O versiune mai ordonată a gheaței VII , în care atomii de hidrogen își asumă poziții fixe. Se formează prin răcirea gheaței VII sub 5 ° C (278 K) [21] .
Ice IX O fază tetragonală care se formează prin răcirea gheții III, treptat, de la 208 K la 165 K. Este stabilă sub 140 K și la presiuni cuprinse între 200 MPa și 400 MPa. Are o densitate de 1,16 g / cm³, oarecum mai mare decât gheața obișnuită și apa [22] .
Ice X Gheață simetrică cu protoni ordonați. Se formează la aproximativ 70 K [23] .
Ice XI Se formează o gheață hexagonală ortorombică , în echilibru cu temperatură scăzută. Este feroelectric . Gheața XI este considerată a fi cea mai stabilă configurație a gheții I h . Procesul natural de transformare este foarte lent și gheața XI a fost găsită în gheața din Antarctica, care are o vechime de 100 până la 10.000 de ani. Studiul respectiv a indicat că temperatura sub care se formează gheața XI este de -36 ° C (240 K) [24] .
Gheața XII O fază cristalină tetragonală, metastabilă, densă. Se observă în spațiul de fază al gheții V și gheață VI. Poate fi preparat încălzind gheață amorfă cu densitate ridicată de 77K la aproximativ 183K la 810 MPa. Are o densitate de 1,3 g cm −3 la 127 K (adică, de aproximativ 1,3 ori mai densă decât apa) [25] .
Gheața XIII O fază cristalină monoclinică. Formată prin răcirea apei sub 130 K până la 500 MPa. Forma cu protoni ordonați de gheață V [26] .
Ice XIV Cu o fază cristalină ortorombică, este forma de gheață XII cu protoni ordonați. Se obține sub 118 K la 1,2 GPa [27] .
Ice XV Forma gheții VI cu protoni ordonați, obținută prin răcirea apei în jur de 80-108 K la o presiune de 1,1 GPa [28] .
Gheață XVI Este format din hidrat de neon (un clatrat hidratat cu topologie sII ) păstrat într- o cameră de vid timp de cinci zile, pentru a elimina toți atomii de neon .

Cu o densitate de 0,81 grame pe centimetru cub, este cea mai puțin densă dintre toate fazele solide cunoscute ale apei în mod experimental și se crede că este faza stabilă a apei la temperaturi scăzute și presiune negativă , dar se prăbușește și se prăbușește. Se descompune la 145 K [29] .

Gheață XVII Gheață poroasă capabilă să absoarbă și să desorbă în mod repetat anumite gaze, inclusiv azotul și hidrogenul (acesta din urmă la o rată de o moleculă de hidrogen pentru fiecare 2 de apă, egal cu 50% proporțional și corespunzător cu 5% în raport cu greutatea apă), chiar și la presiune scăzută, fără a-și schimba structura. Se obține la presiune ridicată și este stabilă la temperatura camerei și la temperaturi sub -153 ° C [30] [31] .
Gheață pătrată Formă cristalină asumată la temperatura camerei datorită presiunilor enorme (≈1 GPa) datorită confinării dintre două foi de grafen monostrat. Cristalul de gheață foarte subțire, aproape bidimensional (câteva molecule suprapuse) cu atomi de hidrogen și oxigen într-o rețea de tablă a fost observat pentru prima dată în 2015 folosind un microscop electronic cu transmisie (TEM) [32] .
Gheață simulată de computer Numeroasele configurații cristaline metastabile ale apei în fază solidă pot fi grupate în această clasă care, deși niciodată observate în natură sau obținute în condiții de laborator, sunt acceptate teoretic pe baza modelelor moleculare în care sunt satisfăcute tetraedricitățile legăturii de hidrogen . molecula de apă și așa-numitele „ reguli (sau legi) de gheață ” ( regulile de gheață [33] , sau regulile Bernal-Fowler , numite după John Desmond Bernal și Ralph Howard Fowler , fizicienii britanici care le-au enunțat în 1933 ). Printre aceste "gheață teoretică" se numără așa-numita " gheață 0 ", care prezintă o structură tetragonală și a fost propusă ca o structură de tranziție care se formează în timpul cristalizării Gheață I c și Gheață I h pornind de la apa supraîncălzită [2] ( super racit). Structura gheții 0 conține clustere dodecaedrice formate din trei pentameri (H2O) 11 de tipul care se crede că se află în apă supraîncălzită și în clusterul icosaedric în configurație ES ( Structură extinsă ) [2] .

Un alt model molecular de gheață din simulări matematice pe computer a fost propus ca o etapă intermediară metastabilă în procesul de cristalizare a gheții VII la o presiune de 10 GPa și la temperaturi de 425 K [2] .

Nu se poate aprecia importanța practică pe care aceste „stări teoretice” o pot avea în lumea reală, până nu sunt obținute în laborator [2] .

Simetriile

Simetrie hexagonală

Simetrie hexagonală

Din punct de vedere fundamental, în ciuda nenumăratelor forme pe care le pot lua, cristalele de gheață prezintă, în general, un model de simetrie hexagonală . Din acest motiv, structurile cristaline generate de creșterea unui cristal inițial tind să păstreze un grad marcat de simetrie, derivat din cel hexagonal. Axa principală de simetrie a unui singur cristal de gheață (axa c ) este perpendiculară pe axa de simetrie hexagonală [34] . Planurile perpendiculare pe această axă se numesc planuri bazale și au o secțiune hexagonală.

Simetria trigonală și cubică

Ice XVI ( topologia sII [29] )

În diferite alte cazuri, se observă cristale cu simetrie trigonală, o formă care sugerează efectul unei simetrii cubice [34] .

În această ultimă privință, se știe, de exemplu, că atunci când apa se colectează în grupuri foarte mici de doar 8 molecule, dă viață unei structuri cubice [32] . Din acest motiv, în 2015 , observarea, în condiții experimentale precise, a unor fenomene similare de structurare cubică, dar pe o scară spațială mult mai largă, în care, datorită confinării hidrofobe între straturile de grafen , nu este complet neașteptată. A fost posibilă pentru a reproduce, la temperatura camerei , cristale cu simetrie cubică mult mai mari decât cele din grupurile de opt molecule [32] .

Gheață pătrată (confinare hidrofobă între două monostraturi grafenice)

O echipă formată din cercetători de la Universitatea din Manchester , condusă de Andrej Gejm ( Premiul Nobel pentru Fizică în 2010 pentru studii asupra grafenului ), și de la Universitatea din Ulm , a descoperit că o picătură de apă la temperatura camerei , limitată la două rețelele de grafen abordate la o distanță de 1 nanometru , dă viață unui cristal de gheață foarte subțire, aproape bidimensional (grosimea câtorva molecule suprapuse) în care atomii de hidrogen și oxigen sunt legați într-o rețea care urmează o tablă de șah ortogonală [32] (observabilă cu un microscop electronic cu transmisie (TEM) ). Această formare solidă, care poate fi obținută la temperatura camerei, se datorează efectului de zdrobire datorat presiunilor enorme doar (≈1 GPa, de 10.000 de ori mai mare decât cea atmosferică ) induse de forțele intense van der Waals care se dezvoltă între atomi. carbon din cele două foi suprapuse ale grafen plachetei și apă [32] [35] .

În cristalul astfel format, cu o structură aproape bidimensională, forma obișnuită în V a moleculelor de apă (cu un unghi de aproximativ 105 °) este distorsionată și forțată să-și asume un unghi drept [32] . În cele 2 sau 3 straturi create în acest mod, atomii de oxigen și hidrogen ai unui strat suprapus se găsesc în corespondență cu omologii stratului inferior [32] .

Morfologie

Forme preferențiale în funcție de temperatură și nivel de suprasaturare .

Deși forma inițială a germenului de gheață, în condiții naturale care nu sunt extreme, este întotdeauna hexagonală, modalitățile procesului de creștere și formele finale care pot fi atinse depind de condițiile de mediu diferite și schimbătoare [36] , ultimele variabile se află în spațiu și în timpul formării, cu consecințe morfologice importante: în mod specific, stările finale sunt influențate de gradul de suprasaturare a aerului înconjurător (un parametru care, în cele din urmă, este legat de temperatura mediului și nivelurile de umiditate ) [36] . Diferitele condiții externe dau viață, începând de la același germen simetric, la forme foarte variabile și diferențiate [36] .

Principalele morfologii sunt trei: cele numite stele (sau dendrite) , exemplificate prin fulgul de zăpadă clasic, formele plate (plăci sau discuri) și formele alungite și asemănătoare acelor (numite ace de gheață , coloane sau prisme, în funcție de raport lungime / lățime) [36] .

Ace și coloane

Placă hexagonală

Formele alungite sunt în esență prisme hexagonale a căror creștere are loc la capete [37] (cele două baze ale prismei). Cele două extremități de creștere sunt concave sau convexe, dar nu plate [37] . De obicei, lungimea depășește de opt ori lățimea [37] . Formele mai puțin alungite se numesc coloane sau prisme [37] .

Plăci (sau discuri)

Formele prismelor hexagonale se numesc plăci sau discuri atunci când:

  • (spre deosebire de coloane) lățimea este mai mare decât lungimea [37] ;
  • grosimea plăcii (înălțimea prismei) nu depășește 10-20 miimi de milimetru [37] .

Creșterea discurilor hexagonale are loc perimetric [37]

Stele (sau dendrite)

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Dendrit (cristal) și Fulgi de zăpadă (meteorologie) .
Formațiuni dendritice într-o imagine color falsă obținută dintr-un fulg de zăpadă cu un microscop electronic cu scanare .
Varietate de forme extrem de simetrice (fotografie de Wilson Bentley )

Acele radiocentriche sunt cele mai cunoscute și spectaculoase forme de cristale de gheață, cele luate din fulgii clasici de zăpadă . Din forma hexagonală originală, cristalul crește de-a lungul a șase ramuri (dendrite) care pot face ca cristalul să atingă dimensiuni considerabile, cu diametre de până la 4 milimetri [37] . Prezența a șase ramuri este, prin urmare, consecința macroscopică a simetriei originale a sămânței cristaline, la rândul său o consecință a simetriei hexagonale a legăturilor dintre moleculele de apă care alcătuiesc cristalul de gheață [38]

În cadrul acestui model cu șase ramuri, fulgii de zăpadă capătă o varietate excepțională de forme individuale complexe determinate de condițiile externe diferite și schimbătoare la care fiecare dintre ele a fost supus în timpul formării [37] [39] .

Această variabilitate extremă pare să fie în contradicție cu simetria internă excepțională sugerată de imaginile fulgului de zăpadă publicate în mod obișnuit. Gradul foarte ridicat de simetrie al celor șase ramuri se datorează faptului că formele asumate de fiecare braț în timpul creșterii sunt determinate de condițiile externe, umiditatea, temperatura, rata de creștere și variația lor în timp, toți parametrii care nu pot varia. pe scara spațială a ordinii de mărime a unui fulg de zăpadă care se formează [38] : chiar și variațiile temporale ale condițiilor externe sunt aceleași pe toate cele șase ramuri [40] .

Cu toate acestea, revendicarea simetriei lor perfecte și absolute nu corespunde niciunei realități fizice: de fapt, într-un orizont vast de variabilitate, niciun fenomen fizic nu poate forța acreția celor șase raze să „se acorde” una cu cealaltă [40] : simetria care tinde să fie acordată fulgilor de zăpadă este o concepție greșită obișnuită datorită unui mecanism de selecție operat pe imagini. Arcurile cele mai reușite, cu o simetrie internă perfectă, sunt cele predominante în ilustrații deoarece sunt mai elegante și satisfăcătoare din punct de vedere estetic, chiar dacă sunt doar o mică minoritate în comparație cu cele neregulate [40] .

Dependența formei finale de condițiile de mediu

În interiorul norilor, temperaturile mai mult sau mai puțin scăzute influențează direcția luată de creștere și tipologia formei finale [41] . Temperaturile scăzute favorizează creșterea laterală, în timp ce temperaturile chiar mai scăzute, combinate cu niveluri ridicate de suprasaturare , determină evoluția creșterii laterale în forme ramificate (dendrite) [41] .

Din punct de vedere cantitativ Cu temperaturi cuprinse între -6 și -10, procesul de creștere dă naștere la forme alungite (ace, prisme), în timp ce cu temperaturi de aproximativ -12 grade Celsius, procesul de cristalizare se dezvoltă în forme plane (plăci) [ 41] . La temperaturi chiar mai scăzute, între -13 și -18, expansiunea în forme plane devine instabilă și evoluează în forme dendritice (stele) [41] .

Fenomene legate de suspendarea cristalelor în atmosferă

Parelium de ambele părți ale soarelui într-un apus de soare din Minnesota . Rețineți halourile în formă de arc care trec prin fiecare dintre imaginile paralele.

Cristalele de gheață tind să cadă în aer într-o astfel de poziție încât axa lor principală să fie aliniată orizontal și din acest motiv sunt vizibile în urmele detectate de un radar meteorologic polarimetric cu valori de reflectanță diferențiale crescute (și pozitive).

Electrificarea cristalelor de gheață poate induce alte aliniere decât orizontale. În plus, cristalele încărcate electric sunt, de asemenea, mai ușor de detectat prin radar meteorologic polarimetric.

Fenomene optice și atmosferice

Traseul luminii într-o prismă hexagonală, cu unghiul optim pentru o abatere minimă

Cristalele de gheață suspendate în atmosferă pot deveni vizibile ca urmare a interacțiunii cu lumina. Aceste interacțiuni sunt responsabile pentru diferite efecte optice atmosferice .

Norii de gheață sunt compuși din mici fragmente cristaline de gheață: printre aceste formațiuni atmosferice, cele mai notabile sunt cirii și ceața de gheață . Albirea ușoară care, pe un cer albastru clar, se observă datorită cristalelor de gheață dispersate în troposferă poate fi semnul că un front meteorologic (și ploaia ) se apropie, deoarece aerul umed este transportat la altitudini mari. Și este înghețat. în cristale de gheață.

Halouri și alte fenomene atmosferice

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Halo (fenomen optic) , Sundog , cerc parhelic , Paraselenio , False Dawn și nori noctilucenți .
Halo lunar vizibil în Germania la 25 decembrie 2004

Cristalele de gheață fin dispersate în atmosferă sunt, de asemenea, originea halourilor atmosferice . Dintre aceste fenomene optice , cele mai frecvente sunt halo de 22 ° și paraseleniu . Cu toate acestea, mai rar este halo de 46 ° .

22 ° halo
Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Halo 22 ° , Halo circumscris , arc tangent superior și arc tangent inferior .

Un halou de 22 ° are forma unui cerc care se extinde în jurul Soarelui sau, rareori, în jurul Lunii . Halo-ul este determinat de refracția luminii solare (sau lunare) pe măsură ce trece prin nenumărate cristale de gheață hexagonale suspendate în atmosferă într-o orientare aleatorie.

Când fasciculul de lumină care trece prin cele două laturi ale prismei formează un unghi de 60 °, unghiul abaterii minime este de aproape 22 ° (de exemplu 21,84 ° în medie; 21,54 ° în lungimea de undă a roșu și 22,37 ° pentru albastru). Această variabilitate în funcție de diferitele frecvențe optice determină o culoare variabilă: roșiatică în cercul interior, albăstruie în cel exterior.

Lumina care trece prin prismele hexagonale de gheață este deviată de două ori; aceasta determină unghiuri de deviere cuprinse între 22 ° și 50 °. Abaterile mai mici conduc la un halo mai luminos în marginea interioară a cercului, în timp ce abaterile mai mari contribuie la partea exterioară mai slabă a halo-ului. Deoarece lumina nu este refractată pentru unghiuri sub 22 °, cerul este mai întunecat în halou.

46 ° halo
Criopreservazione di germogli vegetali in azoto liquido .

L' alone di 46° è un evento molto più raro nella famiglia dei fenomeni di alone . Assume la forma di un grande anello centrato sul Sole a circa il doppio della distanza del più comune alone di 22° . Ha una colorazione cangiante, che va dal rossiccio del bordo interno al bluastro del bordo esterno.

La causa del fenomeno è stata individuata per la prima volta nella rifrazione nei cristalli di ghiaccio nel 1679 , grazie al fisico francese Edme Mariotte ( 1620 – 1684 ) [42] .

La luce attraversa il prisma a 90° formato da una faccia laterale e dalla base prisma esagonale del cristallo di ghiaccio e la minima deviazione angolare di un tale prisma di ghiaccio è circa 46° [43] .

Cristalli di ghiaccio nella criopreservazione

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Crioconservazione e Crionica .

Il processo di cristallizzazione ha effetti negativi nelle tecniche di laboratorio per la conservazione a lungo termine, a bassissime temperature (dell' azoto liquido o dei suoi vapori), di tessuti biologici e, in generale, di materiali organici più o meno complessi (di origine sia animale che vegetale), in quanto sia nella fase di raffreddamento, sia in quella di riscaldamento, la formazione o l'accrescimento di cristalli di ghiaccio di dimensioni significative può alterare o compromettere la funzionalità di strutture e organuli intra- cellulari , o addirittura danneggiare l'integrità [44] [45] .

Per ovviare a questi gravi inconvenienti, nel tempo sono stati sviluppate apposite tecniche, confluite in rigorosi protocolli standard, la cui osservanza permette di garantire la salvaguardia a lunghissimo termine delle strutture vitali dei tessuti e dei campioni organici da preservare [44] .

D'altro canto, prosegue la ricerca di nuove tecniche e procedure che garantiscano il successo nella conservazione anche di campioni e tessuti di maggiori dimensioni, nella speranza di poter giungere alla preservazione di interi organi [46] [47] .

Note

  1. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Explanation of the Phase Anomalies of Water (P1-P13). P4 , in Water Structure and Science , 19 dicembre 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 20 marzo 2017) .
  2. ^ a b c d e f ( EN ) Martin Chaplin, Computer Ices (Ice 0) , in Water Structure and Science , 15 novembre 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 .
  3. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Vonnegut's ice-nine , in Water Structure and Science , 19 dicembre 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 .
  4. ^ a b ( EN ) Christoph C. Pradzynski, Richard M. Forck, Thomas Zeuch, Petr Slavíček e Udo Buck, A Fully Size-Resolved Perspective on the Crystallization of Water Clusters , in Science , vol. 337, n. 6101, 21 settembre 2012, pp. 1529-1532, DOI : 10.1126/science.1225468 , PMID 22997336 .
  5. ^ a b Benjamin J. Murray, Daniel A. Knopf e Allan K. Bertram, The formation of cubic ice under conditions relevant to Earth's atmosphere , in Nature , vol. 434, n. 7030, 2005, pp. 202-205, DOI : 10.1038/nature03403 , PMID 15758996 . Bibcode : 2005Natur.434..202M
  6. ^ a b ( EN ) Benjamin J. Murray e Allan K. Bertram, Formation and stability of cubic ice in water droplets , in Physical Chemistry Chemical Physics , vol. 8, n. 1, 2006, pp. 186-192, DOI : 10.1039/b513480c , PMID 16482260 . Bibcode : 2006PCCP....8..186M
  7. ^ a b ( EN ) Benjamin J. Murray, The Enhanced formation of cubic ice in aqueous organic acid droplets , in Environmental Research Letters , vol. 3, n. 2, 2008, p. 025008, DOI : 10.1088/1748-9326/3/2/025008 . Bibcode : 2008ERL.....3b5008M
  8. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice phases , in Water Structure and Science , 15 novembre 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 .
  9. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Amorphous Ice and Glassy Water , in Water Structure and Science , 14 febbraio 2017. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  10. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Hexagonal ice (Ice I h ) , in Water Structure and Science , 28 gennaio 2017. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  11. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Cubic ice (Ice I c and Ice XI c ) , in Water Structure and Science , 19 ottobre 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  12. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Stacking disordered ice (Ice I sd ) , in Water Structure and Science , 11 maggio 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  13. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice-four (Ice IV) , in Water Structure and Science , 1º febbraio 2017. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  14. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice-five (Ice V) , in Water Structure and Science , 18 febbraio 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  15. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice-six (Ice VI) , in Water Structure and Science , 27 gennaio 2017. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  16. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice-seven (Ice VII) , in Water Structure and Science , 16 agosto 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  17. ^ ( EN ) Deborah Netburn, What scientists found trapped in a diamond: a type of ice not known on Earth , in Los Angeles Times . URL consultato il 31 ottobre 2018 ( archiviato il 12 marzo 2018) .
  18. ^ ( EN ) Astronomers Detect Shadow Of Water World In Front Of Nearby Star , su ScienceDaily , Università di Liegi , maggio 16. URL consultato il 31 ottobre 2018 ( archiviato il 21 agosto 2017) .
  19. ^ David A. Aguilar, Astronomers Find Super-Earth Using Amateur, Off-the-Shelf Technology , su cfa.harvard.edu , Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics , 16 dicembre 2009. URL consultato il 31 ottobre 2018 (archiviato dall' url originale il 25 luglio 2013) .
  20. ^ ( EN ) Sid Perkins, Pockets of water may lay deep below Earth's surface , in Science , 8 marzo 2018. URL consultato il 1º ottobre 2018 ( archiviato l'8 marzo 2018) .
  21. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice-eight (Ice VIII) , in Water Structure and Science , 19 ottobre 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  22. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice-nine (Ice IX) [ collegamento interrotto ] , in Water Structure and Science , 19 ottobre 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 .
  23. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice-ten (Ice X) , in Water Structure and Science , 21 luglio 2015. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  24. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice-eleven (Ice XI) , in Water Structure and Science , 16 febbraio 2017. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  25. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice-twelve (Ice XII) , in Water Structure and Science , 18 febbraio 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  26. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice-thirteen strucure (Ice XIII) , in Water Structure and Science , 1º febbraio 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  27. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice-fourteen (Ice XIV) , in Water Structure and Science , 25 febbraio 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  28. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice-fifteen (Ice XV) , in Water Structure and Science , 27 gennaio 2017. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 14 marzo 2016) .
  29. ^ a b ( EN ) Martin Chaplin, Ice-seven (Ice XVI) , in Water Structure and Science , 18 febbraio 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 16 marzo 2016) .
  30. ^ Manolo De Agostini, Il ghiaccio "italiano" per il futuro dell'energia pulita , in Tom's hardware , 7 novembre 2017. URL consultato il 17 marzo 2017 .
  31. ^ ( EN ) Martin Chaplin, Ice-seven Ice-seventeen (Ice XVII) , in Water Structure and Science , 18 febbraio 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 (archiviato dall' url originale il 16 marzo 2016) .
  32. ^ a b c d e f g ( EN ) Mark Peplow, Graphene sandwich makes new form of ice. Unusual square structure suggests how flattened water can zip through tight channels , in Nature , 25 marzo 2015. URL consultato il 15 marzo 2017 .
  33. ^ ( EN ) Martin Chaplin, The 'ice rules' , in Water Structure and Science , 15 novembre 2016. URL consultato il 17 marzo 2017 .
  34. ^ a b ( EN ) Ice crystal , su Glossary of meteorology , 2nd edition, American Meteorological Society . URL consultato il 15 marzo 2017 .
  35. ^ ( EN ) G. Algara-Siller, O. Lehtinen, FC Wang, Rahul Raveendran Nair, U. Kaiser, HA Wu, Andre K. Geim & Irina V. Grigorieva, Square ice in graphene nanocapillaries ( PDF ), in Nature , vol. 519, n. 7544, 26 marzo 2015, pp. 443-445, DOI : 10.1038/nature14295 , PMID 25810206 .
  36. ^ a b c d Mario Giuliacci , Andrea Giuliacci e Paolo Corazzon , Manuale di meteorologia , 2010, p. 501.
  37. ^ a b c d e f g h i Mario Giuliacci , Andrea Giuliacci e Paolo Corazzon , Manuale di meteorologia , 2010, p. 502.
  38. ^ a b Andrea Frova , La scienza di tutti i giorni , Rizzoli , 2010, p. 194, ISBN 978-88-586-1358-0 .
  39. ^ ( EN ) FAQ: Why do snow crystals form in such complex and symmetrical shapes? , su its.caltech.edu , Caltech-California Institute of Technology .
  40. ^ a b c ( EN ) FAQ: What synchronizes the growth of the six arms? , su its.caltech.edu , Caltech-California Institute of Technology .
  41. ^ a b c d Mario Giuliacci , Andrea Giuliacci e Paolo Corazzon , Manuale di meteorologia , 2010, p. 503.
  42. ^ ( FR ) Edme Mariotte , Quatrieme Essay. De la Nature des Couleur , Paris, Estienne Michallet, 1681. Nello stesso testo sono ricondotti alla rifrazione nei cristalli di ghiaccio anche cani solari a 22° e 46°
  43. ^ ( EN ) Halo of 46° , su Glossary of meteorology , 2nd edition, American Meteorological Society . URL consultato il 15 marzo 2017 .
  44. ^ a b Ilaria Bonini, Cristalli di ghiaccio , in Enciclopedia della scienza e della tecnica , Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 2007-2008. URL consultato il 4 aprile 2017 .
  45. ^ ( EN ) Basic principles of cryopreservation ( PDF ), in Cryoconservation of animal genetic resources , FAO Animal Production and Health Guidelines No. 12 , Section 7, Roma, Food and Agriculture Organization of the United Nations , 2012, p. 85, ISBN 978-92-5-107306-3 . URL consultato il 4 aprile 2017 .
  46. ^ ( EN ) Fiona Macdonald, Scientists Have Found a Way to Rapidly Thaw Cryopreserved Tissue Without Damage , in Science alert , 1º marzo 2017. URL consultato il 4 aprile 2017 .
  47. ^ ( EN ) Navid Manuchehrabadi, Zhe Gao, Jinjin Zhang, Hattie L. Ring, Qi Shao, Feng Liu, Michael McDermott, Alex Fok, Yoed Rabin, Kelvin GM Brockbank, Michael Garwood, Christy L. Haynes e John C. Bischof, Improved tissue cryopreservation using inductive heating of magnetic nanoparticles , in Science Translational Medicine , vol. 9, n. 379, 1º marzo 2017.

Bibliografia

Voci correlate

Forme
Processo
Morfologia
Fenomeni ottici e atmosferici

Altri progetti

Collegamenti esterni

Controllo di autorità Thesaurus BNCF 61262 · LCCN ( EN ) sh85063992 · GND ( DE ) 4379901-2
Estratto da " https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Cristalli_di_ghiaccio&oldid=121888000 "