MADRID, 8 Nov. (EUROPA PRESS) -
Cuando las gotas de agua se congelan en las nubes, la estructura del cristal de hielo no es necesariamente la clásica estructura de copo de nieve hexagonal.
Químicos de la Universidad de Utah han descubierto que más bien, más fácilmente se forma una estructura de hielo más desordenada que el hielo hexagonal bajo ciertas condiciones de nubes, permitiendo que las gotas de agua en las nubes se conviertan en hielo más rápidamente de lo que se había predicho previamente. El trabajo, detallado en un artículo publicado en 'Nature', reconcilia modelos teóricos de nubes con observaciones de tasas de congelación.
Incluso en climas cálidos, la precipitación generalmente comienza con gotas de agua en las nubes que se convierten en hielo. ¿Por qué? "Estas gotas de líquido pueden crecer hasta cierto tamaño --explica un miembro del equipo de investigación, Valeria Molinero, profesora de Química en la Universidad de Utah --pero para crecer hasta un tamaño lo suficientemente grande como para poder caer del cielo, estas gotitas tienen que crecer mucho más grandes".
La mejor manera de agrandarse es recurrir al hielo. Una pequeña partícula atmosférica, llamada aerosol, puede iniciar el proceso de congelación en agua fría. O el proceso puede comenzar espontáneamente, con una pequeña región de moléculas de agua ordenadas que aparecen dentro de la gota. Si ese "cristalito" es lo suficientemente grande, entonces la gota se puede congelar y continuar creciendo tirando del vapor de agua circundante. El proceso de crecimiento de cristales a partir de un pequeño núcleo se denomina nucleación.
Los núcleos de pequeños cristales se enfrentan a una barrera para crecer. Debido a las interacciones entre un sólido pequeño y su entorno líquido, un cristalito tiene que crecer hasta un cierto tamaño para poder continuar creciendo y no simplemente derretirse. Es como si empujas una roca colina arriba pero no llegas a la cima, la roca vuelve al punto donde comenzaste. Pero si la empujas lo suficiente, se desliza por el otro lado. La parte superior de la colina (llamada barrera de energía libre) establece el tamaño crítico para que el cristalito siga creciendo.
"El enfoque de nuestro trabajo es mostrar cuál es la estructura del cristalito en la parte superior de esta barrera y cuál es la implicación de la tasa de nucleación", dice Molinero. Anteriormente, los químicos suponían que la estructura del hielo en la parte superior de la barrera de energía era la estructura hexagonal que se ve en los copos de nieve (aunque los copos de nieve son mucho más grandes que los cristalitos). Es una estructura muy estable. "La suposición de que es hexagonal es la más intuitiva", dice Laura Lupi, académica postdoctoral y primera autora del artículo de 'Nature'.
LA BARRERA DE NUCLEACIÓN, MENOR DE LO PREVISTO
Las simulaciones anteriores encontraron que, bajo algunas condiciones de nubes, sin embargo, los cristalitos con una estructura desordenada eran más favorecidos. Estas estructuras "apiladas y desordenadas" son una mezcla de capas y capas de moléculas que no se asientan en la estructura cristalina hexagonal o cúbica.
En su estudio, Lupi y Molinero encontraron que, a una temperatura de 230 K, o -45 grados Fahrenheit, la barrera de energía libre para la cristalización desordenada apilada es 14 kJ / mol más pequeña que la del hielo hexagonal. En otras palabras, el hielo desordenado tiene una "colina" mucho más pequeña que el hielo hexagonal y se forma alrededor de 2.000 veces más rápido.
Esto ayuda a los estudiosos de las nubes a comprender mejor sus datos de observación con respecto a las tasas de congelamiento en las nubes. Los modelos de nucleación previos que utilizaban el hielo hexagonal no podían capturar todo el comportamiento de una nube porque esos modelos extrapolaban las tasas de nucleación a través de las temperaturas de la nube sin comprender los efectos de la temperatura en esas velocidades.
El estudio de Lupi y Molinero comienza a corregir esos modelos. "Las tasas de nucleación del hielo solo pueden medirse en un rango muy estrecho de temperaturas --afirma Molinero-- y es extremadamente difícil extrapolarlas a temperaturas más bajas que son importantes para las nubes, pero inaccesibles a los experimentos".
En virtud de su tamaño, los copos de nieve son más estables como el hielo hexagonal, dicen Lupi y Molinero. Sus hallazgos solo se aplican a cristalitos muy pequeños. Lupi cree que su trabajo puede ayudar a los modeladores de nubes a crear modelos más precisos de la fase del agua dentro de las nubes. "Si tienes muchas gotas de agua a cierta temperatura, quieres predecir cuántas se convertirán en gotas de hielo", dice. Modelos mejores de nubes pueden llevar a entender mejor de cómo las nubes reflejan el calor y producen precipitación.
Molinero dice que su trabajo avanza en la comprensión fundamental de cuán rápidamente el agua forma hielo, un proceso que se desarrolla en las nubes y los congeladores todos los días. Y es un proceso, no es un evento instantáneo, agrega Molinero. "La transformación no es solo que se llegue por debajo de cero y eso es todo --dice--. Hay una velocidad a la que ocurre la transición, controlada por la barrera de nucleación. Y la barrera es menor de lo que se había previsto anteriormente".
