2023
08/31
相关创新主体

创新背景

云层比我们想象的要复杂得多,它们由数百万超冷的水滴组成,这些水滴已经被冷却到冰点以下,但尚未变成冰,当这些水滴冻结时,它们可以快速地冻结整个云层,这一过程被称为二次冰生成,这个过程在不同的时间和长度尺度上都非常复杂且迅速。

为了理解这种冰在云中是如何如此高效地产生的,并确定其具体的形态,科学家们进行了大量研究,过去,人们观察到,在超冷水中形成的冰与我们在冰箱中看到的冰是不同的,但要观察冰冻开始时的确切情况一直都是一个挑战。

这种对云中冰的形成和结构的研究具有重要意义,因为云和冰的行为直接影响气候模型和我们对气候变化的理解,超冷水滴的冻结机制尤其关键,因为它们在云中是如此普遍,并且对云的形态和功能有深远的影响。

此外,Rutgers大学的Claudiu Stan博士和他的团队表示,超冷水在冻结时的速度比在冰箱中等待冰形成的速度要快得多,这也意味着,为了真正理解这一现象,研究者们需要采用先进的技术来捕获这一快速变化的过程。

 

创新过程

这项研究探索了超冷水滴冻结的复杂过程,首先,研究团队使用位于能源部SLAC国家加速器实验室的Linac Coherent Light Source (LCLS) X射线激光来进行实验。

为了研究这个冻结过程,研究者们开发了一个模型,该模型包括七个明确的阶段,并在此过程中发现了一个意想不到的结构,为了深入探索冻结的早期阶段,团队使用了两种技术研究了数万个水微滴:一种是光学显微镜技术,通过透镜折射光线来放大小物体;另一种是X射线衍射技术,研究者们用X射线击中样本,然后观察X射线反弹后形成的图案,以确定原子或分子的排列方式。

团队发现冻结的最早阶段几乎与环境因素无关,因此他们迅速在真空中冷却了这些水滴,以捕获这些阶段,从形成的冰晶的衍射中,他们发现在冻结过程开始后不久就形成了一种晶体结构。

接下来,研究人员发现冰在冻结后立即形成了一种应变或受压的六方晶体排列,这种意想不到的结构在之前尚未被观察到,它是一个暂时的、不稳定的状态,可能预示着其他类型的晶体结构异常的冰的形成。

在整个研究过程中,X射线激光发挥了关键作用,因为它能够追踪这些超小、超快的变化,捕捉晶体中分子的动态,观察它们在整个过程中的行为。

最终,研究人员对超冷滴的冻结进行了详细的描述,确定了它们系统中的七个阶段,并将它们整合成了一个预测模型。

 

创新价值

云中的超冷水滴冻结过程对于大气过程和全球气候有着深远的影响,当这些水滴冻结时,它们可以通过所谓的二次冰生成过程加速整个云的冻结,为了更准确地预测和模拟全球气候,了解这一过程的具体机制是至关重要的。

该研究可能为改善和优化天气预测模型提供有价值的数据,更准确的模型不仅可以更好地预测天气,还可以帮助我们预测和应对与气候变化相关的极端天气事件。

此外,这项研究中使用的技术和方法也有可能对其他材料或气象条件下的冻结或固化过程的研究产生启示,这意味着,该研究的方法论可能在物质科学和其他领域中有更广泛的应用。

这项研究为我们提供了一个更深入、更细致的视角,来观察和理解云中水滴的冻结过程及其对气候的影响,从而有可能带来更为准确的天气预测和更深入的气候变化洞察,这对于全球社会来说都是具有巨大意义的。

 

创新关键点

为了深入了解超冷水滴的冻结过程,研究团队利用了SLAC国家加速器实验室的Linac Coherent Light Source (LCLS) X射线激光进行探测,通过光学显微镜和X射线衍射两种技术,他们观察了数万个水微滴的冻结早期阶段,并发现了一个之前未被观察到的暂时、不稳定的晶体结构,此外,研究者还开发了一个包括七个明确阶段的冻结过程模型。

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