Переохолоджена вода - це дійсно дві рідини в одній. До такого висновку прийшла група дослідників Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії Міністерства енергетики США після перших в історії вимірювань рідкої води при температурах набагато нижче її типової точки замерзання.
Відкриття, опубліковане в журналі Science, надає довгоочікувані експериментальні дані, щоб пояснити деякі з дивних властивостей води, які проявляє вода при надзвичайно низьких температурах в космічному просторі і у віддалених частинах атмосфери Землі.
Досі рідка вода при найбільш екстремальних температурах була предметом конкуруючих теорій і гіпотез. Деякі вчені задаються питанням, чи дійсно вода існує у вигляді рідини при температурах до 190 K, або ж дивна поведінка - це просто перебудова води на її неминучому шляху в тверде тіло.
Аргумент має значення, тому що розуміння води, яка покриває 71 відсоток поверхні Землі, має вирішальне значення для розуміння того, як вона регулює наше навколишнє середовище, наші тіла і саме життя.
«Ми показали, що рідка вода при дуже низьких температурах не тільки відносно стабільна, але й існує в двох структурних мотивах», - сказав Грег Кіммел, фізик-хімік з PNNL. "Отримані дані пояснюють давні суперечки про те, чи завжди сильно переохолоджена вода кристалізується, перш ніж вона зможе врівноважитися. Відповідь: ні ".
Переохолоджена вода: історія двох рідин
Можна подумати, що ми розуміємо воду. Це одна з найпоширеніших і найбільш вивчених речовин на планеті. Але, незважаючи на уявну простоту - два атома водню і один атом кисню на молекулу - H2O оманливо складна.
Для води на диво важко замерзнути трохи нижче точки плавлення: вода опирається замерзанню, якщо їй нема з чого почати, наприклад, пил або якусь іншу тверду речовину, за яку можна прилипнути. У чистій воді потрібен енергійний поштовх, щоб молекули утворили особливу структуру, необхідну для замерзання.
І при замерзанні вона розширюється, що є дивною поведінкою порівняно з іншими рідинами. Але саме ця дивина підтримує життя на Землі. Якби кубики льоду потонули або водяної пар в атмосфері не зберігав тепло, життя на Землі, якою ми її знаємо, не існувало б.
Дивна поведінка води займала фізиків-хіміків Брюса Кея і Грега Кіммеля понад 25 років. Тепер вони разом з дослідниками Лоні Крінглом і Уяттом Торнлі досягли важливої віхи, яка, як вони сподіваються, розширить наше розуміння викривлень, які можуть викликати молекули рідкої води.
Були запропоновані різні моделі для пояснення незвичайних властивостей води. Нові дані, отримані за допомогою свого роду стоп-кадру переохолодженої води, показують, що вона може конденсуватися в рідкоподібну структуру високої щільності.
Ця форма з більш високою щільністю співіснує зі структурою з більш низькою щільністю, яка більше відповідає типовому зв'язуванню, очікуваному для води. Частка рідини з високою щільністю швидко зменшується при зміні температури від -28,17 ºC (245 K) до -83,17 ºС (190 K), що підтверджує передбачення моделей «суміші» для переохолодженої води.
Вчені використовували інфрачервону спектроскопію, щоб спостерігати за молекулами води, захопленими в свого роду зупиненому русі, коли тонка плівка льоду була уражена лазером, створюючи переохолоджену рідку воду на кілька наносекунд.
«Ключове спостереження полягає в тому, що всі структурні зміни були зворотними і відтворюваними», - кажуть дослідники.
Це дослідження може допомогти пояснити град - замерзлі гранули, які іноді падають під час штормів з прохолодною погодою. Градини утворюються, коли сніжинки взаємодіє з переохолодженою рідкою водою у верхніх шарах атмосфери.
«Рідка вода у верхніх шарах атмосфери глибоко охолоджується», - говорить Брюс Кей, науковий співробітник PNNL і експерт з фізики води. "Коли вона стикається зі сніжинками, вона швидко замерзає, а потім в правильних умовах падає на Землю. Це дійсно єдиний раз, коли більшість людей відчувають на собі вплив переохолодженої води ".
Дослідження також можуть допомогти зрозуміти, як рідка вода може існувати на дуже холодних планетах - Юпітері, Сатурні, Урані і Нептуні - в нашій сонячній системі і за її межами. Переохолоджений водяний пар також створює красиві хвости, що тягнуться за кометами.
Багато чого ще належить дізнатися, і зроблені вимірювання допоможуть краще зрозуміти найпоширенішу рідину на Землі.