A víz igazi fagyáspontja – mínusz 48 °C

Ha nem tartalmaz szennyeződéseket és kondenzációs magokat, a tiszta víz a klasszikus 0 °C-os fagyáspontnál jóval alacsonyabb hőmérsékleten is folyékony maradhat. -48 °C alatt azonban kristályokká fagy. Ezt a küszöböt amerikai tudósok határozták meg bonyolult számítógépes szimulációk segítségével. Eredményeik nemcsak az alapkutatás egy rejtélyét tisztázzák, hanem a klímamodellek előrejelzéseire is közvetlen hatással lehetnek.

Erősen lehűtött víz számítógépes szimulációja: a folyékony részeket (fehér színnel) a jégkristályok első kezdeményei szövik át (zöld/piros színnel). (Kép: U. Utah)

„Ha folyékony vízből jeget szeretnénk, mindenekelőtt egy kis kondenzációs magra van szükség” – magyarázta Valeria Molinero, a Salt Lake City-i Utah Egyetem munkatársa. Ezek a tavakban és a folyókban vízben oldott ásványok vagy szennyeződések formájában bőségesen megtalálhatók. Ezzel szemben az abszolút tiszta vízben a kristálygócok legkésőbb kb. 225 Kelvin fokos hőmérséklet alatt maguktól alakulnak ki. Ahogy azt egy 32768 molekulából álló apró vízcsepp számítógépes szimulációja kimutatta, ezen a hőmérsékleten a vízmolekulák gyenge kötésű tetraéderekké kapcsolódnak össze maguktól. Ezekből kiindulva további jégkristályok alakulhatnak ki.

A víz molekuláris dinamikájának átfogó szimulációjához sok ezer órányi számításra volt szükség. A modellben a víz lényeges termodinamikai tulajdonságait vették figyelembe: az entalpiát, a hőkapacitást és a kristályosodás során felszabaduló energiát. A modellben 225 Kelvin fokos hőmérsékleten hirtelen változás következett be azzal, hogy hidrogénhidakkal összekötött tetraéderek képződtek. A molekulák kristályosodásának mértéke ezen a ponton érte el a maximumot.

Ezen szimulációk alapján azt is pontosabban fel lehet tárni, hogyan viselkedik a víz fagyás közben. Gyors fagyás esetén ugyanis a tiszta vízből üvegszerű, amorf jég keletkezik, amelynek szerkezetében nincs hosszú távú rend. Ha a hűlési folyamat lassabban játszódik le, a nyomástól és a hőmérséklettől függően a jelenlegi ismeretek szerint 16 különböző formában képződhetnek jégkristályok.

Azonban nem csak a jégkristályok kialakulását érthetjük meg jobban ilyen szimulációknak köszönhetően, a klímakutatók számára is fontosak a modellek finomításához. A folyékony és ugyanakkor mínusz fokokra lehűtött víz ugyanis a légkörben a beérkező sugárzást máshogy veri vissza, mint a jégkristályok. Így a víz halmazállapota közvetlen hatással van a Föld éghajlatára. „Ehhez előre kell jelezni, mennyi víz van a légkörben folyékony, illetve szilárd, kristályos állapotban” – nyilatkozta Molinero. Nem kizárt, hogy éppen ezt a termodinamikai számításokkal most még pontosabban meg lehet becsülni.

Forrás: www.pro-physik.de

Garamvölgyi Ágnes