Microcline, ortak bir mineral yüzeyinin bulutlarda buz oluşumunu nasıl tetiklediğini ortaya koyuyor

Saf su yalnızca -38°C (-36°F) civarında donar. Minik mineral tozu parçacıkları, üzerinde buz kristallerinin oluştuğu kristalizasyon tohumları olan buz çekirdeği oluşturucular olarak işlev görür. Bielefeld Üniversitesi ve Viyana Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi, Helsinki Üniversitesi’ndeki araştırmacılarla işbirliği içinde, ilk kez moleküler ölçekte mineral mikroklininin bulutlarda buz oluşturmada neden özellikle etkili olduğunu gösterdi. Dergide yayınlanan çalışma Doğa İletişimidünya çapında iklimi ve yağışları etkileyen süreçlere yeni bir açıklama getiriyor.

İncelenen süreç, bulutlardaki suyun ne zaman donduğunu, ne kadar yağış düştüğünü ve bulutların güneş ışığını ne kadar güçlü yansıttığını belirlemeye yardımcı oluyor. Tüm bu faktörler iklimde önemli bir rol oynamaktadır.

Araştırmanın ilk yazarı Bielefeld Üniversitesi’nden Dr. Florian Schneider, “Mikroklin’in neden buz oluşturmada bu kadar olağanüstü derecede iyi olduğunu anlamak istedik, her ne kadar yaygın kayaç oluşturan minerallerden oluşan bir grup olan diğer feldspatlardan kimyasal bileşim açısından çok az farklı olsa da” diyor. “Sonuçlarımız ilk kez moleküler düzeyde bu minerali bu kadar özel kılan şeyin ne olduğunu ortaya koyuyor.”

Buz sabit bir yüzey üzerinde düzenli bir şekilde büyür

Feldspatlar atmosferik tozda en bol bulunan mineraller arasındadır. Mikroklin (kimyasal olarak potasyum alüminyum silikat) son derece etkili bir buz çekirdeği oluşturucu olarak kabul edilir. Şimdiye kadar araştırmacılar buzun esas olarak aktif bölgeler olarak adlandırılan basamak kenarları veya çatlaklar gibi nadir yüzey özelliklerinde oluştuğunu varsayıyordu.

Araştırma ekibi artık mikroklin durumunda en yaygın ve termodinamik olarak kararlı yüzeyinin (001) bölünme düzlemi olarak adlandırılan yüzeyin yeterli olduğunu gösterdi. Buz orada epitaksiyel büyüme olarak bilinen bir süreçle düzenli bir şekilde büyür. Bu, buzun kristal kafesinin mineralin kristal kafesi ile sabit bir açıda hizalandığı anlamına gelir.

Çalışmanın son yazarı, Viyana Üniversitesi’nden Dr. Tobias Dickbreder, “İlginç bir şekilde, mikroklin’in (001) yüzeyi, altıgen buzun ortak yüzeyleriyle eşleşmiyor. Bunun yerine, buz kristalleri, mikroklin yapısına hizalanmış, daha yüksek indeksli düzlem adı verilen daha az yaygın bir yüzeyle büyüyor” diyor. “Bu bulgu, buz çekirdeklenmesini anlamak için alışılmadık buz yüzlerinin önemine dair yeni bir bakış açısı sağlıyor.”

Nanometre ölçeğindeki görüntüler çok önemli kanıtlar sağlıyor

Keşif, ultra yüksek vakum koşulları altında yüksek çözünürlüklü atomik kuvvet mikroskobu ile mümkün oldu. Araştırmacılar numuneleri soğuttular ve küçük buz kümelerinin nerede oluştuğunu doğrudan gözlemlediler. Tamamlayıcı bilgisayar simülasyonları deneysel bulguları doğruladı.

Karşılaştırma amacıyla ekip aynı zamanda yakından ilişkili olan sanidin mineralini de inceledi. Mikroklin ile aynı kimyasal bileşime sahip olmasına rağmen, klasik teorinin öngördüğü gibi sanidin üzerinde buz esas olarak basamak kenarlarında oluşur. Fark yüzey yapısında yatıyor gibi görünüyor: Mikroklinin en kararlı yüzeyi kabaca iki kat daha fazla sözde alüminol grubu taşır. Bu kimyasal gruplar su molekülleriyle güçlü hidrojen bağları oluşturabilir ve ilk buz kümelerini stabilize edebilir.

Böylece çalışma, mikroklinin olağanüstü buz çekirdeklendirme yeteneği için uzun zamandır aranan nano ölçekli bir açıklama sağlıyor. Sonuçlar nadir yüzey özelliklerinin mutlaka gerekli olmadığını göstermektedir; Yaygın, sağlam yüzeyler de belirleyici bir rol oynayabilir.

Bu özellikle iklim araştırmalarıyla ilgilidir: Buz oluşumundaki küçük farklılıklar bile bulut özelliklerini, yağış düzenlerini ve güneş ışığının yansımasını değiştirebilir. Atmosferdeki mineral yüzeylerin daha iyi anlaşılması, iklim modellerinin daha doğru olmasına yardımcı olacaktır.

Bielefeld Üniversitesi’nden Profesör Angelika Kühnle şunları söyledi: “Çalışmamız önemli bir bilgi açığını kapatıyor. Mikroklinin neden buz oluşumunu bu kadar verimli bir şekilde desteklediğini moleküler ölçekte ilk kez açıklayabiliyoruz. Bu bilgiler yalnızca temel bilim perspektifinden büyüleyici değil, aynı zamanda iklim modelleri ve atmosferik araştırmalarla da son derece alakalı. Nano ölçekli buz kümelerini doğrudan görselleştirebilmek, metodolojik bir atılımı temsil ediyor.”