ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Ориентированная кристаллизация льда из "Ориентированная кристаллизация" Повышенный интерес к эпитаксии льда на различных кристаллических подложках связан с чрезвычайно важной в практическом отношении проблемой искусственного рассеяния облаков и туманов. [c.158] Облака представляют собой скопление взвешенных в атмосфере мелких капель воды или ледяных кристаллов. Облака образуются при подъеме теплых слоев воздуха, которые, адиабатически расширяясь, охлаждаются находящийся в воздухе водяной пар, достигнув некоторого пересыщения, конденсируется на многочисленных гигроскопических ядрах копденсации. Большая часть капель имеет радиус 2—7 мк. Эти капли благодаря малым размерам могут переохлаждаться от —35° до —40° С, Замерзая при более низких температурах, первичные капельки превращаются в центры роста кристаллов, на которых происходит сублимация водяного пара и вырастают более крупные кристаллы этот процесс обусловливает выпадание атмосферных осадков. Упругость насыщения пара по отношению ко льду меньше, чем по отношению к воде при той же температуре. Поэтому облако, даже не насыщенное водяным паром ло отношению к капелькам воды, может быть пересыщено по отношению к кристаллам. Это вызывает рост кристаллов и испарение капель. Рост кристаллов продолжается до тех пор, пока они не выпадут из облаков. В летнее время они тают, проходя через теплые слои воздуха, и выпадают в виде дождя. При достаточных пересыщениях водяного пара могут непосредственно образовываться крупные капли. [c.158] Второй способ, интенсивно развиваемый в последнее время в СССР и за рубежом, заключается в опылении облаков дымами различных веществ, в частности йодистого серебра и йодистого свинца. Ниже будет рассмотрен механизм этого процесса, в основе которого лежит ориентированная кристаллизация льда на чужеродных частицах. [c.159] В 1947 г. Воннегат [102—103] обнаружил, что в определенных условиях частицы некоторых веществ являются очень активными центрами кристаллизации и что в лабораторных экспериментах при введении их в переохлажденный туман кристаллы льда начинают образовываться при более высоких температурах. В частности, при введении в облако мельчайшей пыли йодистого серебра кристаллы льда возникают при —4 вместо —40° С. Автор высказал предположение, что активность некоторых веществ как центров кристаллизации объясняется сходством их структур со структурой кристаллов льда. Эта идея первоначально и легла в основу выбора таких веществ. [c.159] Результаты многочисленных лабораторных опытов по образованию льда путем введения в переохлажденный туман мелкокристаллической пыли различных веществ показали, что для каждого вещества имеется пороговая температура, соответствующая началу кристаллизации. В табл. 37 приведены результаты опытов Мейсона с сотрудниками [106—109] по определению активности различных кристаллов как центров кристаллизации льда. Было принято, что пороговая температура соответствует значению, при котором одна частица из 10 000 приводит к кристаллизации. Для всех веществ активность постепенно увеличивается при уменьшении пороговой температуры. [c.159] Примечание. Параметры льда даны при температуре 0° С. [c.160] Наиболее подробно ориентированная кристаллизация льда изучена на подложке из йодистого серебра, так как гексагональные кристаллы AgJ являются наиболее активным катализатором зародышеобразования льда, они повышают граничную температуру переохлаждения до —4° С. Ориентированная кристаллизация также наблюдалась при —4° С. При более высоких температурах на подложке появлялись лишь капли воды. Согласно работе [116], при температурах между —8 и —25° С гексагональные кристаллы растут тангенциально и образуют тонкие пластины, но в области между —4 и —8 °С и ниже —25° С преобладает рост вдоль гексагональной оси с в виде призм. Эти наблюдения соответствуют обычному изменению габитуса кристаллов льда в зависимости от температуры [118]. [c.161] Монтмори и Жафре, исследуя конденсацию атмосферной воды на йодистом серебре, обнаружили три температурные области, соответствующие различным механизмам кристаллизации. В области температур от —5 до —7° С из конденсированных капелек воды образуются гексагональные пластины льда с параллельной ориентацией относительно y gJ и реже — призмы, гексагональная ось которых параллельна поверхности и сторонам типа [100] гексагональных пластин первой ориентации (табл. 38). [c.161] Продолжительное облучение подложки ультрафиолетом приводит к интенсивному распаду AgJ. После распада AgJ активность подложек значительно уменьшается конденсат образуется в виде капелек диаметром 5—7 мк, которые переохлаждаются до —30° С и затем замерзают в виде игольчатых кристаллов с произвольной ориентацией. В связи с этим наблюдением авторы [116] указывают на отсутствие эпитаксии льда на серебре. Это проверено также непосредственными опыта.ми при конденсации воды на плоскости (111) монокристальной серебряной пленки. Небольшая выдержка таких пленок на воздухе приводит, однако, к увеличению их активности. Последнее обстоятельство, вероятно,. можно объяснить наличием в воздухе следов йода, образующего на серебре зародыши AgJ, которые и обусловливают увеличение активности. [c.162] На кристаллах йода лед образуется с двумя ориентациями параллельной (преимущественно в области температур —20° С) и призматической (—7° Г —20° С) (табл. 38). [c.163] Интересный эффект наблюдался при кристаллизации льда на плоскости скола мусковита [111]. При температурах выше — 20° С имеет место конденсация капелек воды, которые перед замерзанием испытывают ориентирующее влияние подложки (рис. 50). Ниже —20° С образуются кристаллы льда в виде гексагональных пластин с двумя ориентациями (табл. 38). [c.163] Ориентированная кристаллизация льда наблюдалась также на плоскостях (010) HgJ2, (ЮО) кальцита, (001) брусита, слабый ориентирующий эффект замечен на биотите и вовсе не обнаружен на плоскостях (010) гипса и (001) графита. Температуры появления ориентированных кристаллов при эпитаксии льда, как правило, равны или несколько меньше, чем пороговая температура кристаллизации в переохлажденных облаках при введении в них пыли соответствующих веществ (см. табл. 37). [c.163] В дополненне к обычному микроскопическому исследованию ориентировок льда Лисгартен [121] провел электронографическое изучение конденсатов льда, образованных на поверхности AgJ. Подложки приготовлялись таким же образом, как и в описанных выше экспериментах, приче.м ориентировки йодистого серебра, образуемого при химическом взаимодействии йода с серебром, контролировались также с помощью дифракции электронов. Подложка помещалась в камере электронографа, где поддерживалась необходимая температура. Осадок льда образовывался из водяных паров, вводимых в прибор с помощью специального приспособления. Температура конденсации изменялась в интервале от —90 до —170° С. При более высоких температурах получить тонкий осадок льда не представляется возможны.м вследствие быстрой его субли.мации в вакууме. [c.165] Конденсация водяного пара при температуре —130° С приводила к образованию неориентированных кристаллов кубической фазы, а при —165°С — к появлению мелкокристаллического слоя, дающего диффузную электронограмму. При медленном подогреве последнего образовывалась кубическая фаза с произвольной ориентацией кристаллов. Оценка параметров ориентированных кристаллов гексагональной фазы льда позволяет сделать вывод о полном нх соответствии нормальным значениям. [c.166] В заключение необходимо отметить, что кристаллизация льда в различных те.мпературных условиях является еще одним экспериментальным подтверждение.м представления о двух механизмах конденсации (см. гл. 1, п. 5). В частности, можно считать установленным существование двух механизмов кристаллизации п к и п- ж (ж- к). Как указывалось ранее, области критических температур конденсации зависят еще от физикохимических свойств подложки, в том числе от ее кристаллографического строения. [c.166] Имеющиеся экспериментальные наблюдения, по-видимому, подтверждают предсказанную инверсию механизма конденсации при температуре 63. Наблюдение аморфноподобного слоя льда в области —165° С может быть легко объяснено изменением механизма от п— -к к п- ж. При этом в результате конденсации могут образоваться мелкодисперсные капли воды, которые при замерзании образуют мелкокристаллический осадок. Наблюдаемая температура инверсии механизма конденсации согласуется с предсказанной теоретически и равна —150° С [122]. [c.166] Г р и г о р ь е в Д. П., Зап. минералог, об-ва, 1955, 83, 3. [c.166] Вернуться к основной статье