Исследование определяет скорость образования льда
Учёные из Принстонского университета впервые напрямую рассчитали скорость кристаллизации воды в лёд, используя реалистичную компьютерную модель молекул воды. Моделирование, выполненное на суперкомпьютерах, даёт представление о механизме перехода воды из жидкого состояния в кристаллическое твёрдое тело.
Понимание процесса образования льда расширяет знания о влиянии низких температур на живые и неживые системы, включая реакцию клеток на холод и формирование льда в облаках на больших высотах. Более точное знание начальных стадий замерзания в перспективе может помочь улучшить прогнозы погоды и климатические модели, а также способствовать разработке более эффективных материалов для засева облаков с целью увеличения осадков.
Исследователи изучили процесс, при котором при понижении температуры молекулы воды начинают объединяться, образуя сгусток твёрдого льда внутри окружающей жидкости. Такие сгустки обычно быстро исчезают. Иногда появляется достаточно крупный сгусток, известный как критическое ядро, который стабилен и начинает расти, а не таять. Процесс образования такого ядра называется нуклеацией.
Для её изучения использовалась компьютерная модель воды, имитирующая два атома водорода и один атом кислорода. С помощью симуляций учёные рассчитали среднее время, необходимое для формирования первого критического ядра при температуре около 230 градусов Кельвина (минус 43 °C), что характерно для условий в высокогорных облаках. Оказалось, что для кубического метра чистой воды это время составляет около одной миллионной секунды.
«Основное значение этой работы в том, чтобы показать, что можно рассчитать скорость нуклеации для относительно точных моделей воды», — сказал ведущий автор, постдок Амир Хаджи-Акбари.
Кроме расчёта скорости, исследователи изучили происхождение двух различных кристаллических форм льда при атмосферном давлении. Лёд в повседневной жизни — это гексагональный лёд. Вторая форма, кубический лёд, менее стабильна и встречается в облаках на больших высотах. «Одним из ключевых выводов нашей работы является объяснение того, почему менее стабильная форма льда (кубическая) образуется чаще, чем более стабильный гексагональный лёд, на начальных стадиях процесса нуклеации», — пояснил Хаджи-Акбари.
Моделирование стало возможным благодаря инновационному методу, разработанному Хаджи-Акбари для идентификации форм льда в симуляции, что позволило анализировать более длительные интервалы времени. Даже с этими улучшениями расчёты заняли около 21 миллиона часов процессорного времени для отслеживания поведения 4096 виртуальных молекул воды в модели TIP4P/Ice — одной из самых точных молекулярных моделей воды. Работа была выполнена на нескольких суперкомпьютерах, включая Della, Tiger, Stampede, Gordon и Blue Gene/Q.
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).