Sublimeringen av fast is sker lika snabbt som avdunstningen av flytande vatten

Det är inte omöjligt att förvänta sig att vatten avdunstar mycket snabbare än is. Överraskande nog har forskare från Amsterdams universitet nu visat att detta inte är fallet för små isdroppar: is och vattendroppar försvinner lika snabbt. Detta förklarar ett faktum som skidåkare känner väl till: nyfallen snö skiljer sig mycket från snö som är några dagar gammal. Resultaten publicerades i Nature Communications i veckan.

Om vi ställer ett glas vatten på ett bord och väntar länge förväntar vi oss att vattnet ska avdunsta, men inte själva glaset eller bordet. Enligt vår erfarenhet avdunstar inte fasta material; vi förväntar oss därför intuitivt att is, som också är ett fast material, inte heller avdunstar nämnvärt. En sådan process, som i fysikens terminologi kallas assublimation, förekommer dock: skidåkare vet till exempel att även om temperaturen ligger under fryspunkten kan några centimeter snö försvinna på ett par dagar.

Ett överraskande resultat

Och även om den är mycket mindre studerad än avdunstningen av vätskor har sublimeringen av fast is viktiga konsekvenser, eftersom den påverkar klimatet (eftersom isen reflekterar solljuset) samt storleken och formen på ispartiklar i moln (som producerar snöflingor, hagelstenar och ispellets) och har en avgörande betydelse för bildandet av komplexa erosionsmönster, som t.ex. snöpenitenter i snöfält på höga höjder.

I forskning som publicerades i Nature Communications denna vecka studerade fysikerna Etienne Jambon-Puillet, Noushine Shahidzadeh och Daniel Bonn från Amsterdams universitet sublimeringen av små isdroppar och snöflingor. Överraskande nog fann de att sublimeringen av en frusen isdroppe under samma förhållanden sker lika snabbt som avdunstningen av samma droppe när den består av flytande vatten.

Diffusion sätter gränsen

Forskarna visar att denna överraskande effekt inträffar eftersom avdunstningshastigheten för både flytande vatten och is begränsas av diffusionsprocessen, det vill säga det sätt på vilket den resulterande vattenånga som bildas sprids långsamt i luften. Denna slutsats gäller för isdroppar, men även för snöflingor: dessa blir mer runda under sublimeringen (se figuren), en process som tidigare tillskrivits inflytandet av den underliggande kristallina strukturen. Forskarna hävdar nu att den kristallina strukturen inte är så viktig som man tidigare trodde: deras argument för diffusion är tillräckliga för att kvantitativt förklara utvecklingen av de snöflingformar som observerats i experiment.

Resultaten förklarar därför skillnaden mellan nyfallen snö och snö som är några dagar gammal. Men slutsatserna är inte bara intressanta för dem som älskar att åka skidor, eftersom tillämpningarna inte är begränsade till isdroppar eller snöflingor. Resultaten gäller i lika hög grad upplösningen av små kristaller, eftersom deras dynamik styrs av samma fysik. Resultaten kan alltså också användas för att kontrollera storleken och formen på nanopartiklar och saltkristaller eller upplösningshastigheten för läkemedel.