Het sublimeren van vast ijs gaat net zo snel als het verdampen van vloeibaar water

Je zou misschien verwachten dat water veel sneller verdampt dan ijs. Verrassend genoeg hebben onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam nu aangetoond dat dit voor kleine ijsdruppeltjes niet het geval is: ijs- en waterdruppeltjes verdwijnen even snel. Dit verklaart een gegeven dat skiërs maar al te goed kennen: vers gevallen sneeuw is heel anders dan sneeuw van een paar dagen oud. De resultaten zijn deze week gepubliceerd in Nature Communications.

Als we een glas water op een tafel zetten en daar lang op wachten, verwachten we dat het water verdampt, maar niet het glas zelf, of de tafel. In onze ervaring verdampen vaste stoffen niet; we verwachten dus intuïtief dat ijs, ook een vaste stof, ook niet noemenswaardig zal verdampen. Toch gebeurt een dergelijk proces – in de natuurkunde bekend als assublimatie – wel degelijk: skiërs weten bijvoorbeeld dat zelfs als de temperatuur onder het vriespunt blijft, een paar centimeter sneeuw in een paar dagen kan verdwijnen.

Een verrassend resultaat

Hoewel veel minder bestudeerd dan de verdamping van vloeistoffen, heeft de sublimatie van vast ijs belangrijke gevolgen, want zij beïnvloedt het klimaat (omdat ijs het zonlicht weerkaatst) en de grootte en vorm van ijsdeeltjes in wolken (waarbij sneeuwvlokken, hagelstenen en ijspellets ontstaan) en is van het grootste belang voor de vorming van complexe erosiepatronen zoals sneeuwpenitentes in sneeuwvelden op grote hoogten.

In een onderzoek dat deze week in Nature Communications is gepubliceerd, bestudeerden natuurkundigen Etienne Jambon-Puillet, Noushine Shahidzadeh en Daniel Bonn van de Universiteit van Amsterdam de sublimatie van kleine ijsdruppels en sneeuwvlokken. Verrassend genoeg ontdekten ze dat onder dezelfde omstandigheden de sublimatie van een bevroren ijsdruppel net zo snel gaat als de verdamping van dezelfde druppel wanneer die uit vloeibaar water bestaat.

Diffusie bepaalt de grens

De onderzoekers tonen aan dat dit verrassende effect optreedt omdat zowel bij vloeibaar water als bij ijs de snelheid van verdamping wordt beperkt door het diffusieproces: de manier waarop de resulterende waterdamp zich langzaam door de lucht verspreidt. Deze conclusie geldt voor ijsdruppels, maar ook voor sneeuwvlokken: deze worden tijdens de sublimatie ronder (zie figuur); een proces dat voorheen werd toegeschreven aan de invloed van de onderliggende kristallijne structuur. De onderzoekers stellen nu dat die kristallijne structuur niet zo belangrijk is als eerder werd gedacht: hun diffusie-argumenten volstaan om de evolutie van de bij experimenten waargenomen sneeuwvlokvormen kwantitatief te verklaren.

De resultaten verklaren dus het verschil tussen vers gevallen sneeuw en sneeuw van een paar dagen oud. Maar de conclusies zijn niet alleen interessant voor de liefhebbers van skiën, want de toepassingen beperken zich niet tot ijsdruppels of sneeuwvlokken. De bevindingen gelden evenzeer voor het oplossen van kleine kristallen, aangezien hun dynamica door dezelfde fysica wordt beheerst. De resultaten kunnen dus ook worden toegepast bij het beheersen van de grootte en vorm van nanodeeltjes en zoutkristallen of de oplossnelheid van geneesmiddelen.