1

در پژوهشی تازه از دانشگاه فناوری وین (TU Wien)، دانشمندان موفق شدند نحوه آغاز تشکیل یخ توسط یدید نقره (Silver Iodide) را در مقیاس اتمی ترسیم کنند. این مطالعه نشان می‌دهد که تنها یک سمت از بلور نقره دارای ساختار اتمی مناسب برای آغاز شکل‌گیری یخ است؛ کشفی که پرده از نقش این ذرات کوچک در تبدیل ابرها به باران برمی‌دارد.

دمای کلیدی برای شروع انجماد

عدد کلیدی در این فرآیند، منفی ۴.۰ درجه سلسیوس (۲۴.۸ فارنهایت) است؛ دمایی که در آن یدید نقره می‌تواند در ابرهای فوق‌سرد، فرآیند یخ‌زدن را آغاز کند. این مقدار بسیار گرم‌تر از دمایی است که آب خالص بدون محرک جامد قادر به انجماد در آن است.

چرا تغییر کوچک در سطح، تأثیر بزرگی دارد

این تحقیق به رهبری «یان بالایکا» (Jan Balajka)، فیزیکدان دانشگاه فناوری وین انجام شد؛ کسی که تمرکز او بر روی سطوح دقیق اتمی و نخستین مراحل رشد یخ است.

زمانی که ابرها بر روی ذرات منجمد می‌شوند، دانشمندان این پدیده را هسته‌زایی یخ (Ice Nucleation) می‌نامند؛ فرآیندی که در آن نخستین خوشه پایدار یخ شکل می‌گیرد. این اتفاق اغلب روی ذراتی مانند گردوغبار یا نمک رخ می‌دهد، اما یدید نقره فعالیت ویژه‌ای دارد.

بارورسازی ابرها شامل افزودن ذرات بسیار کوچک یدید نقره از هواپیماها به داخل ابرهاست تا تشکیل بلورهای یخ تحریک شود.

بر اساس ارزیابی اداره حسابرسی دولت ایالات متحده (GAO) در سال ۲۰۲۴، «بارورسازی ابرها روشی چند دهه‌ای برای دست‌کاری آب‌وهواست که با مجموعه‌ای از فناوری‌های پشتیبان برای تحقیقات و عملیات همراه است.»

دو چهره، دو نتیجه

در سطح بلور، اتم‌ها می‌توانند در الگوهای جدیدی بازچینش شوند؛ پدیده‌ای که بازسازی سطحی (Surface Reconstruction) نام دارد. این بازآرایی انرژی سطح را کاهش می‌دهد.

تیم تحقیقاتی نشان داد که سمت نقره‌ای بلور الگوی شش‌ضلعی خود را حفظ می‌کند و با ساختار یخ مطابقت دارد، در حالی که سمت ید بازسازی شده و شبکه‌ای مستطیلی ایجاد می‌کند که این هماهنگی را از بین می‌برد.

این آزمایش‌ها با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی بدون تماس (NAFM) انجام شدند؛ روشی که با سنجش نیروهای بسیار کوچک بدون تماس مستقیم، اتم‌ها را تصویربرداری می‌کند. دماهای کرایوژنیک برای ثابت نگه داشتن موقعیت اتم‌ها به کار گرفته شد.

«این یافته‌ها نقش تعیین‌کننده ساختار اتمی سطح را برجسته می‌کنند و نشان می‌دهند که صفحه بازال با پایان نقره‌ای، مسئول اصلی هسته‌زایی کارآمد یخ بر روی AgI است.» – یان بالایکا

تشکیل بلور و بارورسازی ابرها

در ابرها، انجماد معمولاً از طریق هسته‌زایی ناهمگن (Heterogeneous Nucleation) آغاز می‌شود؛ یعنی یخ ابتدا روی سطح جامد شکل می‌گیرد نه در آب خالص. از آن‌جا که تنها سمت نقره‌ای مؤثر است، نسبت دو سمت در هر ذره معلق در هوا تعیین می‌کند که چند بلور یخ تشکیل می‌شود.

دهه‌هاست که پژوهش‌های آزمایشگاهی به تطابق نزدیک شبکه بلور یخ شش‌ضلعی با ساختار یدید نقره اشاره دارند. مطالعات اشعه X قدیمی‌ترین شواهد از این هماهنگی دقیق را ارائه داده بودند. اما اکنون روشن شده است که این الگوی اتمی سطح است، نه ساختار درونی، که تعیین می‌کند مولکول‌های آب چگونه یخ می‌زنند.

کاربردهای سیاستی و علمی

ارزیابی فدرال گزارش داده که ۹ ایالت آمریکا برنامه‌های بارورسازی فعال دارند و افزایش بارندگی بین صفر تا ۲۰ درصد متغیر بوده است. این اعداد به معنای موفقیت تضمین‌شده نیستند؛ بلکه نشان می‌دهند که نوع ابر، روش تزریق ذرات، و ویژگی‌های سطحی ذرات همگی در نتیجه مؤثرند.

مدل‌سازی علمی فرآیند یخ‌زدن

تیم وین تصویربرداری را با نظریه تابع چگالی (DFT) ترکیب کرد؛ روشی کوانتومی برای محاسبه نحوه پیوند الکترون‌ها و اتم‌ها. این ترکیب، پایدارترین الگوهای سطحی و نحوه سازمان‌دهی آب به صورت لایه‌های یخ‌مانند را شناسایی کرد.

شبیه‌سازی‌های دیگر نشان داده‌اند که دست‌کم چهار لایه مولکولی آب باید روی سطح یدید نقره تشکیل شود تا انجماد آغاز گردد. این تعامل میان نظم سطح و لایه‌چینی آب، بخشی از دلیل نتایج متفاوت بارورسازی در عمل است. اگر سطح ذره بیش از حد از سمت ید تشکیل شده باشد یا رطوبت پایین باشد، رشد منظم یخ کند می‌شود.

درس‌هایی برای طراحی مواد

نتیجه عملی این پژوهش روشن است: برای ساخت مواد مؤثرتر در آغاز یخ‌زدن، باید سطوحی طراحی شوند که فاصله‌های اتمی مناسب و توانایی نگه‌داری لایه‌های منظم آب را داشته باشند.

پژوهش‌های آینده درباره بلورها و باران

البته شرایط آزمایشگاهی با ابرهای طبیعی متفاوت است. در آزمایش‌ها از بلورهای فوق‌تمیز و دماهای پایین استفاده شد تا نخستین مراحل را ایزوله کنند، در حالی که ذرات واقعی در ابرها کوچک‌تر، زبرتر و چندوجهی‌اند.

در نتیجه، نسبت سطح نقره‌ای در هر ذره می‌تواند متفاوت باشد. ذراتی با سطوح بیشتر از جنس ید ممکن است کارایی کمتری در بارورسازی داشته باشند، حتی اگر ترکیب کلی ماده یکسان باشد.

پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند که تولیدکنندگان می‌توانند با پوشش‌دهی سطح ذرات یا تثبیت سمت نقره‌ای، عملکرد این مواد را بهبود دهند. همچنین این یافته‌ها به مدل‌های اقلیمی کمک می‌کنند تا دقیق‌تر تبدیل قطرات ابر به یخ و برف را شبیه‌سازی کنند.

در نتیجه، شناخت بهتر فیزیک در مقیاس اتمی به پیش‌بینی دقیق‌تر آب‌وهوا در مقیاس منطقه‌ای منجر می‌شود و به سیاست‌گذاران کمک می‌کند تصمیم بگیرند چه زمان و کجا بارورسازی ارزش اجرا دارد.

منبع: مجله Science Advances

اگر به علم پشت باران‌سازی مصنوعی علاقه‌مندید، مقاله‌های مرتبط درباره فناوری‌های اقلیمی و محیط‌زیستی را در فوت‌وفن بخوانید و دیدگاه خود را در بخش نظرات بنویسید!