Sublimacja stałego lodu zachodzi tak samo szybko jak parowanie ciekłej wody

Można by się spodziewać, że woda paruje znacznie szybciej niż lód. Co zaskakujące, naukowcy z Uniwersytetu w Amsterdamie wykazali, że w przypadku małych kropel lodu tak nie jest: lód i kropelki wody znikają równie szybko. To wyjaśnia fakt, który narciarze dobrze znają: świeżo spadły śnieg bardzo różni się od śniegu, który ma kilka dni. Wyniki zostały opublikowane w Nature Communications w tym tygodniu.

Jeśli postawimy szklankę z wodą na stole i poczekamy przez długi czas, spodziewamy się, że woda wyparuje, ale nie sama szklanka, czy stół. Z naszego doświadczenia wynika, że ciała stałe nie odparowują; dlatego intuicyjnie oczekujemy, że lód, również będący ciałem stałym, również nie odparuje znacząco. Niemniej jednak, taki proces – znany w terminologii fizyki jako asublimacja – zdarza się: narciarze wiedzą na przykład, że nawet jeśli temperatura pozostaje poniżej punktu zamarzania, kilka cali śniegu może zniknąć w ciągu kilku dni.

Zaskakujący wynik

Ale znacznie mniej zbadany niż parowanie cieczy, sublimacja stałego lodu ma ważne konsekwencje, ponieważ wpływa na klimat (ponieważ lód odbija światło słoneczne), jak również na rozmiar i kształt cząsteczek lodu w chmurach (produkując płatki śniegu, kamienie gradowe i granulki lodu) i ma ogromne znaczenie dla tworzenia złożonych wzorów erozji, takich jak śnieżne penitenty na polach śnieżnych na dużych wysokościach.

W badaniach, które zostały opublikowane w Nature Communications w tym tygodniu, fizycy Etienne Jambon-Puillet, Noushine Shahidzadeh i Daniel Bonn z Uniwersytetu w Amsterdamie badali sublimację małych kropel lodu i płatków śniegu. Co zaskakujące, odkryli oni, że w tych samych warunkach sublimacja zamrożonej kropli lodu zachodzi równie szybko, jak odparowanie tej samej kropli, gdy składa się ona z ciekłej wody.

Dyfuzja wyznacza limit

Badacze wykazali, że ten zaskakujący efekt zachodzi, ponieważ zarówno w przypadku ciekłej wody, jak i lodu, prędkość parowania jest ograniczona przez proces dyfuzji: sposób, w jaki powstająca para wodna powoli rozprzestrzenia się w powietrzu. Wniosek ten dotyczy nie tylko kropel lodu, ale także płatków śniegu: podczas sublimacji stają się one bardziej zaokrąglone (patrz rysunek); proces ten wcześniej przypisywano wpływowi struktury krystalicznej. Naukowcy twierdzą teraz, że struktura krystaliczna nie jest tak ważna, jak wcześniej sądzono: ich argumenty dotyczące dyfuzji są wystarczające do ilościowego wyjaśnienia ewolucji kształtów płatków śniegu obserwowanych w eksperymentach.

Wyniki te wyjaśniają zatem różnicę między świeżo spadłym śniegiem a śniegiem kilkudniowym. Ale wnioski nie są interesujące tylko dla tych, którzy uwielbiają jeździć na nartach, ponieważ zastosowania nie ograniczają się do kropel lodu czy płatków śniegu. Wnioski dotyczą również rozpuszczania małych kryształków, ponieważ ich dynamika podlega tej samej fizyce. Tak więc, wyniki mogą być również stosowane w kontroli wielkości i kształtu nanocząstek i kryształów soli lub szybkości rozpuszczania farmaceutyków.

.