Введение
Водяной лёд в симметричных формах
Кристаллы льда – это твёрдый лёд, образующий симметричные формы, такие как шестиугольные колонны, шестиугольные пластины и дендритные кристаллы. Кристаллы льда ответственны за различные атмосферные оптические явления и образование облаков.
Формирование
При температуре и давлении окружающей среды молекулы воды имеют V-образную форму. Два атома водорода соединяются с атомом кислорода под углом 105°. Кристаллы льда имеют гексагональную кристаллическую решетку, то есть при замерзании молекулы воды выстраиваются в слоистые шестиугольники. Возможные формы кристаллов льда – колонны, иглы, пластины и дендриты. Также возможны смешанные формы. Небольшие пространства в атмосферных частицах также могут собирать воду, замерзать и формировать кристаллы льда. Этот процесс называется нуклеацией. Снежинки образуются, когда дополнительный водяной пар замерзает на существующем кристалле льда.
Тригональные и кубические кристаллы
Суперохлажденная вода – это вода, находящаяся ниже точки замерзания, но остающаяся в жидком состоянии. Кристаллы льда, сформированные из суперохлажденной воды, содержат дефекты в структуре их слоистых гексагонов. Это приводит к тому, что кристаллы льда демонстрируют тригональную или кубическую симметрию в зависимости от температуры. Тригональные или кубические кристаллы формируются в верхних слоях атмосферы, где происходит суперохлаждение.
Квадратные кристаллы
Вода может проникать сквозь слоистые листы оксида графена, в отличие от более мелких молекул, таких как гелий. При сжатии между двумя слоями графена вода формирует квадратные кристаллы льда при комнатной температуре. Исследователи полагают, что формирование обусловлено высоким давлением и силами Ван-дер-Ваальса – силами притяжения, существующими между всеми молекулами. Этот материал представляет собой новую кристаллическую фазу льда.
Погодные явления
Кристаллы льда создают оптические явления, такие как алмазная пыль и гало в небе, из-за отражения света от кристаллов в процессе, называемом рассеянием. Перистые облака и ледяной туман состоят из кристаллов льда. Перистые облака часто являются признаком приближающегося теплого фронта, когда теплый и влажный воздух поднимается и замерзает, образуя кристаллы льда. Трение кристаллов льда друг о друга также может вызывать молнии. Обычно кристаллы падают горизонтально, но электрические поля могут заставить их слипаться и падать в других направлениях.
Обнаружение
Аэрокосмическая промышленность работает над созданием радара, способного обнаруживать области с ледяными кристаллами для выявления опасных условий полета. Ледяные кристаллы могут таять при контакте с поверхностью теплого самолета и повторно замерзать из-за внешних условий. Накопление льда вокруг двигателя приводит к повреждению самолета. В прогнозировании погоды используются метеорологические радары с дифференциальной отражательной способностью для определения типов осадков путем сравнения горизонтальных и вертикальных размеров капель. Ледяные кристаллы имеют большую протяженность в горизонтальном направлении и, следовательно, могут быть обнаружены.