Au cœur des nuages ​​se trouvent des cristaux de glace. Et au coeur des cristaux de glace, souvent, sont des particules d'aérosols, des poussières dans l'atmosphère sur lesquelles la glace peut se former plus facilement qu'à l'air libre.

C'est un peu mystérieux comment cela se produit, bien que, parce que les cristaux de glace sont des structures ordonnées de molécules, tandis que les aérosols sont souvent des morceaux désorganisés. Nouvelle recherche de Valeria Molinero, professeur distingué de chimie, et Atanu K. Metya, maintenant à l'Institut indien de technologie de Patna, montre comment les cristaux de molécules organiques, un composant commun des aérosols, peut faire le travail.

L'histoire est plus que ça, cependant, c'est un retour à la recherche sur l'ensemencement des nuages ​​de l'ère de la guerre froide et une enquête sur un effet de mémoire particulier qui permet à la glace de se former plus facilement sur ces cristaux la deuxième fois.

La recherche, financé par le Bureau de la recherche scientifique de l'Armée de l'Air, est publié dans le Journal de l'American Chemical Society .

Retour sur l'ensemencement des nuages

Les recherches de Molinero se concentrent sur la façon dont la glace se forme, en particulier le processus de nucléation, qui est le début de la formation des cristaux de glace. Dans les bonnes conditions, les molécules d'eau peuvent nucléer la glace par elles-mêmes. Mais souvent un autre matériel, appelé un nucléant, peut aider le processus le long.

Après plusieurs études sur la façon dont les protéines peuvent aider à former de la glace, Molinero et Metya ont tourné leur attention vers les nucléants organiques de la glace (tels qu'utilisés ici, « organique » signifie des composés organiques contenant du carbone) car ils sont similaires aux protéines productrices de glace et se trouvent dans les aérosols en suspension dans l'air.

Mais une revue de la littérature scientifique a révélé que les articles discutant de la nucléation de la glace par des composés organiques venaient des années 1950 et 1960, avec très peu de travail de suivi après cela jusqu'à très récemment.

"Cela m'a rendu vraiment curieux, " Molinero dit, "parce qu'il y a beaucoup d'intérêt maintenant sur les aérosols organiques et si et comment ils favorisent la formation de glace dans les nuages, mais toute cette nouvelle littérature semblait dissociée de ces premières études fondamentales sur les nucléants organiques de la glace."

Des recherches supplémentaires ont révélé que les premiers travaux sur les nucléants organiques de la glace étaient liés à l'étude de l'ensemencement des nuages, une ligne de recherche d'après-guerre sur la façon dont des particules (principalement de l'iodure d'argent) pourraient être introduites dans l'atmosphère pour favoriser la formation de nuages ​​et les précipitations. Les scientifiques ont exploré les propriétés des composés organiques comme agents de nucléation de la glace pour voir s'ils pourraient être des alternatives rentables à l'iodure d'argent.

Mais la recherche sur l'ensemencement des nuages ​​s'est effondrée dans les années 1970 après que les pressions politiques et les craintes de modification des conditions météorologiques ont conduit à une interdiction de la pratique de la guerre. Le financement et l'intérêt pour les nucléants organiques de la glace se sont taris jusqu'à récemment, lorsque la recherche sur le climat a suscité un regain d'intérêt pour la chimie de la formation de la glace dans l'atmosphère.

« Il y a eu un intérêt croissant pour la nucléation de la glace par les aérosols organiques au cours des dernières années, mais aucun lien avec ces anciennes études sur les cristaux organiques, " dit Molinero. " Alors, J'ai pensé qu'il était temps de les "sauver" dans la littérature moderne."

Devenir tout classique

Le phloroglucinol est l'un des nucléants organiques étudiés au milieu du 20 ^e siècle. Il s'est montré prometteur pour contrôler le brouillard, mais moins pour l'ensemencement des nuages. Molinero et Metya ont revisité le phloroglucinol car il s'est avéré efficace pour la nucléation de la glace en laboratoire.

Une question à laquelle il faut répondre est de savoir si le phloroglucinol nuclée la glace par des processus classiques ou non classiques. Lorsque la glace se forme d'elle-même, sans aucune surface ou autre molécule, le seul obstacle à surmonter est la formation d'une cristallite de glace stable (seulement environ 500 molécules dans certaines conditions) sur laquelle d'autres molécules peuvent s'appuyer pour faire croître un cristal de glace. C'est la nucléation classique.

Nucléation non classique, impliquant une surface nucléante, se produit lorsqu'une couche de molécules d'eau s'assemble à la surface sur laquelle d'autres molécules d'eau peuvent s'organiser en un réseau cristallin. L'obstacle à surmonter dans la nucléation non classique est la formation de la monocouche.

Qu'est-ce qui s'applique au phloroglucinol ? Dans les années 1960, le chercheur L.F. Evans a conclu qu'il n'était pas classique. "Je suis toujours étonné qu'il ait pu déduire l'existence d'une monocouche et en déduire que le mécanisme n'était pas classique à partir d'expériences de congélation en fonction de la température seule!" dit Molinero. Mais Molinero et Metya, en utilisant des simulations moléculaires de la formation de la glace, trouvé que c'est plus compliqué.

"Nous constatons que l'étape qui décide vraiment si l'eau se transforme en glace ou non n'est pas la formation de la monocouche mais la croissance d'un cristallite de glace sur le dessus, " dit Molinero. " Cela rend la formation de glace par les matières organiques classique mais non moins fascinante. "

S'accrocher aux souvenirs de glace

Les chercheurs ont également utilisé leurs méthodes de simulation pour étudier un effet mémoire intéressant précédemment observé avec des nucléants organiques et autres. Lorsque la glace se forme, fondu et formé à nouveau à l'aide de ces nucléants, le deuxième cycle de cristallisation est plus efficace que le premier. On suppose que la glace fond complètement entre les cristallisations, et les chercheurs ont proposé plusieurs explications potentielles.

Molinero et Metya ont découvert que l'effet mémoire n'est pas dû au fait que la glace modifie la surface du nucléant, ni à la monocouche d'eau persistant à la surface du nucléant après fusion. Au lieu, leurs simulations ont soutenu une explication selon laquelle les crevasses du nucléant peuvent retenir de petites quantités de glace qui fondent à des températures plus élevées que le reste de la glace de l'expérience. Si ces crevasses sont adjacentes à l'une des surfaces cristallines nucléantes qui sont bonnes pour former de la glace, puis c'est parti pour les courses quand le deuxième tour de gel commence.

Quelque chose dans l'air

D'autres mystères demeurent :les études du milieu du siècle sur les cristaux organiques ont révélé qu'à haute pression, environ 1500 fois la pression atmosphérique, que les cristaux sont aussi efficaces pour organiser les molécules d'eau en glace qu'un cristal de glace lui-même. Pourquoi? C'est l'objet des prochaines expériences de Molinero.

Plus immédiatement, bien que, le phloroglucinol est un composé naturellement présent dans l'atmosphère, ainsi, tout ce que les chercheurs peuvent apprendre à ce sujet et sur d'autres agents de nucléation organiques peut aider à expliquer la capacité des aérosols à nucléer la glace et à réguler la formation de nuages ​​et de précipitations.

"Il serait important de déterminer si les petits cristallites de ces agents de nucléation de glace cristallins sont responsables de la capacité déconcertante de nucléation de la glace d'aérosols organiques autrement amorphes, " dit Molinero.