Az ember azt várná, hogy a víz sokkal gyorsabban párolog, mint a jég. Az Amszterdami Egyetem kutatói most meglepő módon kimutatták, hogy a kis jégcseppek esetében ez nem így van: a jég és a vízcseppek ugyanolyan gyorsan eltűnnek. Ez megmagyarázza a síelők által jól ismert tényt: a frissen hullott hó nagyon különbözik a néhány napos hótól. Az eredmények a héten jelentek meg a Nature Communications című folyóiratban.
Ha egy pohár vizet teszünk az asztalra, és sokáig várunk, akkor azt várjuk, hogy a víz elpárolog, de azt nem, hogy maga a pohár vagy az asztal elpárolog. Tapasztalataink szerint a szilárd anyagok nem párolognak, ezért intuitíve azt várjuk, hogy a jég, amely szintén szilárd anyag, sem párolog el jelentősen. Mindazonáltal egy ilyen folyamat – a fizika terminológiájában asszublimációnak nevezik – valóban megtörténik: a síelők például tudják, hogy ha a hőmérséklet fagypont alatt marad, akkor is eltűnhet néhány centiméter hó néhány nap alatt.
Egy meglepő eredmény
A szilárd jég szublimációja, bár sokkal kevésbé tanulmányozott, mint a folyadékok párolgása, fontos következményekkel jár, mivel hatással van az éghajlatra (mivel a jég visszaveri a napfényt), valamint a felhőkben lévő jégszemcsék méretére és alakjára (hópelyhek, jégesők és jégszemcsék keletkeznek), és kiemelkedő jelentőségű az olyan összetett eróziós minták kialakulásában, mint a nagy magasságban lévő hómezőkön a hó penitenciák.
A Nature Communications című folyóiratban a héten megjelent kutatásban Etienne Jambon-Puillet, Noushine Shahidzadeh és Daniel Bonn fizikusok az Amszterdami Egyetemről a kis jégcseppek és hópelyhek szublimációját vizsgálták. Meglepő módon azt találták, hogy azonos körülmények között egy fagyott jégcsepp szublimációja ugyanolyan gyorsan történik, mint ugyanannak a cseppnek a párolgása, ha az folyékony vízből áll.
A diffúzió szab határt
A kutatók kimutatták, hogy ez a meglepő hatás azért következik be, mert mind a folyékony víz, mind a jég esetében a párolgás sebességét a diffúzió folyamata korlátozza: az a mód, ahogyan a keletkező vízgőz lassan terjed a levegőben. Ez a következtetés nemcsak a jégcseppekre, hanem a hópelyhekre is érvényes: ezek a szublimáció során gömbölyűbbé válnak (lásd az ábrát); ezt a folyamatot korábban a mögöttes kristályszerkezet hatásának tulajdonították. A kutatók most azt állítják, hogy ez a kristályszerkezet nem olyan fontos, mint korábban gondolták: diffúziós érveik elegendőek ahhoz, hogy kvantitatív módon megmagyarázzák a kísérletekben megfigyelt hópehelyformák alakulását.
Az eredmények tehát megmagyarázzák a frissen hullott hó és a néhány napos hó közötti különbséget. A következtetések azonban nem csak a síelni vágyók számára érdekesek, hiszen az alkalmazások nem korlátozódnak a jégcseppekre vagy a hópelyhekre. Az eredmények ugyanúgy vonatkoznak az apró kristályok oldódására is, mivel azok dinamikáját ugyanaz a fizika szabályozza. Így az eredmények a nanorészecskék és sókristályok méretének és alakjának, illetve a gyógyszerek oldódási sebességének szabályozásában is alkalmazhatók.
További információk: Etienne Jambon-Puillet et al. Singular sublimation of ice and snow crystals, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-06689-x
A folyóirat információi: Nature Communications
Az Amszterdami Egyetem
által biztosított.