Bir kaba sıvı su koyup, buzdolabına yerleştirdiğinizde, bir çeşit sihirli bir durum gerçekleşerek sert, katı bir buz kristali olarak dışarı çıkar. Utah Üniversitesi’ndeki kimyagerler donma işlemi üzerindeki perdeyi biraz daha aralayarak, bulutlarda gerçekleşen donma olayına ışık tuttular.
Bu araştırma, su damlacıkları bulutlarda donduklarında, buz kristalinin her zaman için klasik, altıgen kar tanesi biçimine dönüşmediğini gösteriyor. Bilakis, buzun daha düzensiz bir yapısının belirli bulut koşulları altında, altıgen buz biçiminden daha kolay biçimleniyor. Böylece bulut içerisindeki su damlacıkları, daha önce düşünüldüğünden çok daha hızlı bir şekilde buza dönüşüyorlar. Yapılan çalışma, gözlemlenen donma oranlarıyla ilgili teorik modellerle de uyum sağlıyor.
Su neden donar
Sıcak iklimlerde bile yağış genellikle bulutlardaki yağmur damlaıklarıyla başlayarak, buza dönüşür. Ama neden? “Bu sıvı damlacıklar, belirli bir büyüklüğe kadar ulaşabilirler. Fakat bulutlardan aşağı düşebilecek kadar büyüyebilmeleri için bu damlacıkların çok daha büyük olmaları gerekir” diyor profesör Valeria Molinero.
Daha büyük hale gelebilmenin en iyi yolu, buza dönüşmektir. Aerosol adı verilen küçük bir atmosfer partikülü, donmuş su içerisinde donma işlemini başlatabilir. Ya da bu tip bir işlem damlacık içerisinde görünen düzenli su moleküllerinden oluşan küçük bir bölgede kendiliğinden başlayabilir. Bu ‘kristalit’ yeterince büyük olursa, damlacık donabilir ve çevresindeki su buharını çekerek büyümeye devam edebilir. Küçük bir çekirdekten başlayarak gelişen kristal büyümesi işlemine ‘çekirdeklenme’ adı verilir.
Bariyeri aşmak
Küçük kristal çekirdeği, büyüme esnasında bir engelle karşılaşır. Küçük katı ile çevresindeki sıvı bölge arasındaki etkileşimler nedeniyle bir kristalit erimeden büyümeye devam edebilmek için belirli bir büyüklüğe kadar ulaşmak zorundadır. Bir tepeyi düşünün. Eğer bir kayayı tepeye doğru itelerken, tam olarak tepeye kadar götürmezseniz, bıraktığınızda başladığı noktaya dönecektir. Ama fazla iterseniz, bu sefer de diğer tarafa düşecektir. Tepenin zirve noktası (serbest enerji bariyeri olarak adlandırılır) kristalin büyümeye devam etmesi için kritik büyüklüğü belirler.
“Çalışmamızın odak noktası, bu kristalin bariyerin tepe noktasındaki yapısının ne olduğunu ve çekirdeklenme oranının etkisinin ne olduğunu göstermeye yönelik” diyor Molinero.
Kimyagerler daha önce enerji bariyerinin tepe noktasındaki buz yapısının, kar tanelerinde görülen altıgen yapı olduğunu farz ediyorlardı (her ne kadar kar taneleri, kristalitlerden çok daha büyük olsalar da). Bu yapı, son derece durağan bir yapıdır. Postdoktora öğrencisi Laura Lupi“Bu yapının altıgen olduğuna dair varsayım, daha çok sezgisel bir varsayımdır” diyor bu konuyla ilgili olarak.
Karmaşık katman keki
Bununla birlikte daha öne yapılan simülasyonlar, belirli bulut koşullarında düzensiz yapıya sahip kristalitleri daha olası görüyordu. Bu kümelenen düzensiz yapılar, ne altıgen ne de kübik kristal yapısına dönüşmeyen ‘molekül kek tabakası karışımı’ndan oluşurlar. Lupi ve Molinero yaptıkları çalışmada 230 K’lık bir ısıda, kümelenen düzensiz kristalitin serbest enerji bariyerinin, altıgen buzunkinden daha küçük bir oran olan 14 kJ/mol olduğunu tespit ettiler. Bir başka deyişle düzensiz buz, altıgen buza oranla çok daha küçük bir ‘tepeye’ sahip ve 2.000 kat daha hızlı oluşuyor.
Bu durum, bulut modeli çıkaranların, bulutlardaki donma oranlarıyla ilgili gözlem verilerini daha iyi anlamalarına yardımcı oluyor. Altıgen buzun kullanıldığı önceki çekirdeklenme modelleri bulutun tüm davranışını kavramaya yeterli gelmiyordu çünkü o modeller, bulut ısılarındaki çekirdeklenme oranlarını, ısının bu oranlar üzerindeki etkilerini anlamadan tahmine dayalı olarak belirliyorlardı. Lupi ve Molinero’nun çalışması bu modelleri düzeltmeye başlıyor. “Buz çekirdeklenmesi oranları ancak çok dar ısılarda ölçülebilirler. Üstelik, deneylere indirgenemeyen, bulutlar için önemli olan daha düşük sıcaklıklara yönelik tahminlerde bulunmak aşırı zordur” diyor Molinero.
Büyüklüğünün verdiği kazanımdan ötürü kar taneleri, altıgen buz olarak çok daha durağandırlar. Lupi ve Molinero’nun bulguları sadece çok küçük kristalitlere uyarlanabiliyor. Lupi, yaptıkları çalışmanın, bulut içerisindeki suyun haline yönelik daha tutarlı modeller yapılmasını mümkün kıldığını söylüyor. “Belirli bir sıcaklıkta çok fazla sayıda su taneciği varsa elinizde, ne kadarının buz taneciklerine dönüşeceklerine dair bir tahminde bulunabilmek istersiniz” diyor. Daha iyi şekilde modellenmiş bulut tasarımları, bulutların ısı ve yağış üretimini nasıl yansıttıklarını daha iyi anlamamızı sağlayabilir.
Molinero, yaptıkları çalışmanın, her gün bulutlarda ve buz dolaplarında gerçekleşen bir işlem olan suyun buza dönüşme işleminin hangi hızda gerçekleştiğine dair temel anlayışı geliştirdiğini söylüyor. “Dönüşüm sadece sıfırın altına giderek, mesele bu demenizden ibaret değil. Çekirdeklenme bariyerinin kontrol ettiği bir geçiş oranı söz konusu. Ve bu bariyer, daha önce zannedildiğinden daha düşük.”
