Переохлажденная вода — это действительно две жидкости в одной. К такому выводу пришла группа исследователей Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США после первых в истории измерений жидкой воды при температурах намного ниже ее типичной точки замерзания.
Открытие, опубликованное в журнале Science, предоставляет долгожданные экспериментальные данные, чтобы объяснить некоторые из странных свойств воды, которые проявляет вода при чрезвычайно низких температурах в космическом пространстве и в удаленных частях атмосферы Земли.
До сих пор жидкая вода при самых экстремальных температурах была предметом конкурирующих теорий и гипотез. Некоторые ученые задаются вопросом, действительно ли вода существует в виде жидкости при температурах до 190 K, или же странное поведение — это просто перестройка воды на ее неизбежном пути в твердое тело.
Аргумент имеет значение, потому что понимание воды, которая покрывает 71 процент поверхности Земли, имеет решающее значение для понимания того, как она регулирует нашу окружающую среду, наши тела и саму жизнь.
«Мы показали, что жидкая вода при очень низких температурах не только относительно стабильна, но и существует в двух структурных мотивах», — сказал Грег Киммел, физик-химик из PNNL. «Полученные данные объясняют давние споры о том, всегда ли сильно переохлажденная вода кристаллизуется, прежде чем она сможет уравновеситься. Ответ: нет».
Переохлажденная вода: история двух жидкостей
Можно подумать, что мы понимаем воду. Это одно из самых распространенных и наиболее изученных веществ на планете. Но, несмотря на кажущуюся простоту — два атома водорода и один атом кислорода на молекулу — H2O обманчиво сложна.
Для воды на удивление трудно замерзнуть чуть ниже точки плавления: вода сопротивляется замерзанию, если ей не с чего начать, например, пыль или какое-то другое твердое вещество, за которое можно прилипнуть. В чистой воде требуется энергичный толчок, чтобы молекулы образовали особую структуру, необходимую для замерзания.
И при замерзании она расширяется, что является странным поведением по сравнению с другими жидкостями. Но именно эта странность поддерживает жизнь на Земле. Если бы кубики льда утонули или водяной пар в атмосфере не сохранял тепло, жизни на Земле, какой мы ее знаем, не существовало бы.
Странное поведение воды занимало физиков-химиков Брюса Кея и Грега Киммеля более 25 лет. Теперь они вместе с исследователями Лони Кринглом и Уяттом Торнли достигли важной вехи, которая, как они надеются, расширит наше понимание искривлений, которые могут вызывать молекулы жидкой воды.
Были предложены различные модели для объяснения необычных свойств воды. Новые данные, полученные с помощью своего рода стоп-кадра переохлажденной воды, показывают, что она может конденсироваться в жидкоподобную структуру высокой плотности.
Эта форма с более высокой плотностью сосуществует со структурой с более низкой плотностью, которая больше соответствует типичному связыванию, ожидаемому для воды. Доля жидкости с высокой плотностью быстро уменьшается при изменении температуры от -28,17 ºC (245 K) до -83,17 ºС (190 K), что подтверждает предсказания моделей «смеси» для переохлажденной воды.
Ученые использовали инфракрасную спектроскопию, чтобы наблюдать за молекулами воды, захваченными в своего рода остановленном движении, когда тонкая пленка льда была поражена лазером, создавая переохлажденную жидкую воду на несколько наносекунд.
«Ключевое наблюдение заключается в том, что все структурные изменения были обратимыми и воспроизводимыми», — говорят исследователи.
Это исследование может помочь объяснить град — замерзшие гранулы, которые иногда падают во время штормов с прохладной погодой. Градины образуются, когда снежинки взаимодействует с переохлажденной жидкой водой в верхних слоях атмосферы.
«Жидкая вода в верхних слоях атмосферы глубоко охлаждается», — говорит Брюс Кей, научный сотрудник PNNL и эксперт по физике воды. «Когда она сталкивается со снежинками, она быстро замерзает, а затем в правильных условиях падает на Землю. Это действительно единственный раз, когда большинство людей испытывают на себе воздействие переохлажденной воды».
Исследования также могут помочь понять, как жидкая вода может существовать на очень холодных планетах — Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне — в нашей солнечной системе и за ее пределами. Переохлажденный водяной пар также создает красивые хвосты, тянущиеся за кометами.
Многое еще предстоит узнать, и сделанные измерения помогут лучше понять самую распространенную жидкость на Земле.
«Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K» Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.abb7542