Войти
Аморфный лед (некристаллический или «стекловидный» лед) - это аморфная твердая форма воды. Обычный лед представляет собой кристаллический материал, в котором молекулы регулярно расположены в гексагональной решетке, тогда как аморфный лед не имеет дальнего порядка в его молекулярном расположении. Аморфный лед получают либо путем быстрого охлаждения жидкой воды (поэтому молекулы не успевают сформировать кристаллическую решетку ), либо путем сжатия обычного льда при низких температурах.
Хотя почти весь водяной лед на Земле представляет собой знакомый кристаллический лед I h, аморфный лед преобладает в глубинах межзвездной среды, поэтому вероятно, наиболее распространенная структура для H 2 O во вселенной в целом.
Так же, как существует множество различных кристаллических форм льда ( в настоящее время известно 17+), существуют также различные формы аморфного льда, отличающиеся в основном своей плотностью.
Производство аморфного льда зависит от высокой скорости охлаждения. Жидкую воду необходимо охладить до ее температуры стеклования (около 136 К или -137 ° C) за миллисекунды, чтобы предотвратить спонтанное зарождение кристаллов. Это аналогично производству мороженого из гетерогенных ингредиентов, которые также необходимо быстро замораживать, чтобы предотвратить рост кристаллов в смеси.
Давление - еще один важный фактор в образовании аморфного льда, и изменения давления могут привести к превращению одной формы в другую.
Криопротекторы могут быть добавлены в воду для снижения ее температуры замерзания (например, антифриза ) и увеличения вязкости, что препятствует образованию кристаллов. Стеклование без добавления криопротекторов может быть достигнуто очень быстрым охлаждением. Эти методы используются в биологии для криоконсервации клеток и тканей.
аморфный лед низкой плотности, также называемый LDA, аморфный водяной лед, осажденный из паров или аморфная твердая вода (ASW) обычно образуется в лаборатории путем медленного накопления молекул водяного пара (физическое осаждение из паровой фазы ) на очень гладком металле поверхность кристалла при температуре ниже 120 К. Ожидается, что в космическом пространстве он будет формироваться аналогичным образом на различных холодных подложках, таких как частицы пыли.
Плавление выше температуры стеклования (T g) между 120 и 140 K, LDA более вязкость, чем обычная вода. Недавние исследования показали, что вязкая жидкость остается в этой альтернативной форме жидкой воды примерно до температуры между 140 и 210 К, температурного диапазона, в котором также есть лед I c. LDA имеет плотность 0,94 г / см, менее плотную, чем самая плотная вода (1,00 г / см при 277 К), но более плотная, чем обычный лед (лед I h ).
Напротив, сверхзатушенная стекловидная вода (HGW) образуется путем распыления мелкодисперсного водяного тумана из водяных капель в жидкость, такую как пропан, около 80 К, или путем сверхзатушивания мелких микрометров -размерных капель на держателе образцов, выдержанных при температуре жидкого азота, 77 К, в вакууме. Для предотвращения кристаллизации капель требуются скорости охлаждения выше 10 К / с. При температуре жидкого азота 77 K HGW кинетически стабильны и могут храниться в течение многих лет.
Аморфный лед высокой плотности (HDA ) может быть образован путем сжатия льда I h при температурах ниже ~ 140 K. При 77 К HDA образуется из обычного природного льда при давлении около 1,6 ГПа и из LDA при давлении около 0,5 ГПа (примерно 5000 атм). При этой температуре его можно восстановить до атмосферного давления и хранить в течение неопределенного времени. В этих условиях (атмосферное давление и 77 К) HDA имеет плотность 1,17 г / см.
Питер Дженнискенс и Дэвид Ф. Блейк продемонстрировали в 1994 году, что форма аморфного льда высокой плотности также создается во время осаждение паров воды на низкотемпературном (< 30 K) surfaces such as interstellar grains. The water molecules do not fully align to create the open cage structure of low-density amorphous ice. Many water molecules end up at interstitial positions. When warmed above 30 K, the structure re-aligns and transforms into the low-density form.
аморфном льде очень высокой плотности (VHDA ) было обнаружено в 1996 году Осаму Мисимой, который наблюдал что HDA становится более плотным при нагревании до 160 К при давлении от 1 до 2 ГПа и имеет плотность 1,26 г / см при атмосферном давлении и температуре 77 К. Позже было высказано предположение, что этот более плотный аморфный лед был третьей аморфной формой вода, отличная от HDA, и получила название VHDA.
В общем, аморфный лед может образовываться ниже ~ 130 К. При этом При такой температуре молекулы воды не могут образовывать кристаллическую структуру, обычно встречающуюся на Земле. Аморфный лед также может образовываться в самой холодной области атмосферы Земли, в сумме мер полярной мезосферы, где существуют серебристые облака. Эти низкие температуры легко достигаются в астрофизических средах, таких как молекулярные облака, околозвездные диски и поверхности объектов во внешней Солнечной системе. В лаборатории аморфный лед превращается в кристаллический, если его нагреть выше 130 К, хотя точная температура этого преобразования зависит от окружающей среды и условий роста льда. Реакция необратима и экзотермична, выделяя 1,26–1,6 кДж / моль.
Дополнительным фактором, определяющим структуру водяного льда, является скорость осаждения. Даже если он достаточно холодный, чтобы образовался аморфный лед, кристаллический лед будет образовываться, если поток водяного пара на подложку меньше, чем критический поток, зависящий от температуры. Этот эффект важно учитывать в астрофизических средах, где поток воды может быть низким. И наоборот, аморфный лед может образовываться при температурах выше, чем ожидалось, если поток воды высокий, например, при внезапном замораживании, связанном с криовулканизмом.
При температурах ниже 77 К, облучении ультрафиолетовыми фотонами, а также сильным Энергетические электроны и ионы могут повредить структуру кристаллического льда, превратив его в аморфный лед. Аморфный лед, по-видимому, не подвергается значительному воздействию излучения при температурах ниже 110 К, хотя некоторые эксперименты показывают, что излучение может снизить температуру, при которой аморфный лед начинает кристаллизоваться.
Аморфный лед можно отделить от кристаллического льда на основании его ближнего инфракрасного и инфракрасного спектра. На длинах волн ближнего ИК-диапазона характеристики линий поглощения воды 1,65, 3,1 и 4,53 мкм зависят от температуры льда и порядка кристаллов. Пиковая сила полосы 1,65 мкм, а также структура полосы 3,1 мкм особенно полезны для определения кристалличности водяного льда.
При более длинных ИК-длинах волн аморфный и кристаллический лед имеют характерно разные полосы поглощения при 44 и 62 мкм в том смысле, что кристаллический лед имеет значительное поглощение на 62 мкм, а аморфный лед - нет. Кроме того, эти полосы можно использовать в качестве индикатора температуры при очень низких температурах, когда другие индикаторы (например, полосы 3,1 и 12 мкм) не работают. Это полезно для изучения льда в межзвездной среде и околозвездных дисках. Однако наблюдать за этими особенностями сложно, потому что атмосфера непрозрачна для этих длин волн, что требует использования космических инфракрасных обсерваторий.
Молекулярные облака имеют чрезвычайно низкие температуры (~ 10 К), что вполне соответствует режиму аморфного льда. Наличие аморфного льда в молекулярных облаках подтверждено наблюдениями. Когда молекулярные облака коллапсируют с образованием звезд, температура образующегося околозвездного диска не ожидается выше 120 К, что указывает на то, что большая часть льда должна оставаться в аморфном состоянии. Однако, если температура поднимается достаточно высоко, чтобы сублимировать лед, он может повторно конденсироваться в кристаллическую форму, поскольку скорость потока воды настолько мала. Ожидается, что это будет иметь место в околозвездном диске IRAS 09371 + 1212, где наблюдались признаки кристаллизованного льда, несмотря на низкую температуру 30–70 К.
Для первичной солнечной туманности существует большая неопределенность. относительно кристалличности водяного льда во время фаз формирования околозвездного диска и планет. Если первоначальный аморфный лед пережил коллапс молекулярного облака, то он должен был сохраниться на гелиоцентрических расстояниях за пределами орбиты Сатурна (~ 12 а.е.).
Обнаружены свидетельства наличия аморфного льда в кометах в высоких уровнях активности, наблюдаемых в долгопериодических кометах семейства Кентавр и Юпитер на гелиоцентрических расстояниях за пределами ~ 6 а.е. Эти объекты слишком холодные, чтобы сублимация водяного льда, который приближает кометную активность ближе к Солнцу, не оказала большого влияния. Термодинамические модели показывают, что температура поверхности этих комет близка к температуре перехода аморфный / кристаллический лед в ~ 130 К, что свидетельствует о вероятном источнике активности. Безудержная кристаллизация аморфного льда может производить энергию, необходимую для возбуждения вспышек, подобных тем, которые наблюдались для кометы Центавра 29P / Schwassmann – Wachmann 1.
с температурами радиационного равновесия 40-50 K ожидается, что объекты в поясе Койпера будут иметь аморфный водяной лед. Хотя водяной лед наблюдался на нескольких объектах, их чрезвычайная слабость затрудняет определение структуры льда. Признаки кристаллического водяного льда наблюдались на 50000 Quaoar, возможно, из-за таких событий, как удары или криовулканизм.
Картографирующий спектрометр в ближнем инфракрасном диапазоне ( NIMS) на космическом корабле НАСА Galileo спектроскопически нанесли на карту поверхность льда спутников Юпитера Европа, Ганимед и Каллисто. Температуры этих спутников колеблются в пределах 90–160 К, что достаточно тепло, чтобы аморфный лед, как ожидается, кристаллизовался в относительно короткие сроки. Однако было обнаружено, что Европа состоит в основном из аморфного льда, Ганимед имеет как аморфный, так и кристаллический лед, а Каллисто в основном кристаллический. Считается, что это результат конкурирующих сил: термическая кристаллизация аморфного льда по сравнению с преобразованием кристаллического льда в аморфный поток заряженных частиц с Юпитера. Ближе к Юпитеру, чем три других спутника, Европа получает самый высокий уровень радиации и, следовательно, благодаря облучению имеет самый аморфный лед. Каллисто находится дальше всего от Юпитера, получает наименьший поток радиации и поэтому сохраняет свой кристаллический лед. Ганимед, расположенный между ними, демонстрирует аморфный лед в высоких широтах и кристаллический лед в более низких широтах. Считается, что это результат собственного магнитного поля Луны, которое направляет заряженные частицы в более высокие широты и защищает более низкие широты от излучения.
Поверхностный лед луны Сатурна Энцелад была нанесена на карту с помощью визуального и инфракрасного картографического спектрометра (VIMS) космического зонда NASA / ESA / ASI Cassini. Зонд обнаружил как кристаллический, так и аморфный лед с более высокой степенью кристалличности в трещинах «тигровая полоса» на поверхности и более аморфным льдом между этими областями. Кристаллический лед возле полос тигра можно объяснить более высокими температурами, вызванными геологической активностью, которая, как предполагается, является причиной трещин. Аморфный лед можно объяснить мгновенным замерзанием в результате криовулканизма, быстрой конденсацией молекул из водных гейзеров или излучением высокоэнергетических частиц с Сатурна.
Аморфный лед используется в некоторых научных кругах. эксперименты, особенно в криоэлектронной микроскопии биомолекул. Отдельные молекулы могут быть сохранены для визуализации в состоянии, близком к тому, что они находятся в жидкой воде.
