Cristal de hielo
Hielo de agua en formas simétricas
Un primer plano de cristales de hielo en crecimiento que muestran una simetría hexagonal típica.

Los cristales de hielo son hielo sólido con formas simétricas que incluyen columnas hexagonales , placas hexagonales y cristales dendríticos . [1] Los cristales de hielo son responsables de varias exhibiciones ópticas atmosféricas y formaciones de nubes . [1] [2]

Formación

Un ejemplo de una placa hexagonal (arriba) y una columna hexagonal (abajo), formas típicas de cristales de hielo.

 A temperatura y presión ambiente, las moléculas de agua tienen forma de V. Los dos átomos de hidrógeno se unen al átomo de oxígeno en un ángulo de 105°. [3] Los cristales de hielo tienen una red cristalina hexagonal , lo que significa que las moléculas de agua se organizan en hexágonos en capas al congelarse. [1]

El crecimiento más lento de los cristales en atmósferas más frías y secas produce una simetría más hexagonal. [2] Dependiendo de la temperatura y la humedad ambientales , los cristales de hielo pueden desarrollarse a partir del prisma hexagonal inicial en muchas formas simétricas. [4] Las formas posibles de los cristales de hielo son columnas, agujas , placas y dendritas . También son posibles patrones mixtos. [1] Las formas simétricas se deben al crecimiento deposicional , que es cuando el hielo se forma directamente a partir del vapor de agua en la atmósfera. [5] Los espacios pequeños en las partículas atmosféricas también pueden acumular agua, congelarse y formar cristales de hielo. [6] [7] Esto se conoce como nucleación . [8] Los copos de nieve se forman cuando el vapor adicional se congela sobre un cristal de hielo existente. [9] [10]

La congelación adicional del agua en un cristal de hielo produce copos de nieve .

Cristales trigonales y cúbicos

El agua superenfriada se refiere al agua que se encuentra por debajo de su punto de congelación y que aún se encuentra en estado líquido. [11] Los cristales de hielo formados a partir de agua superenfriada tienen defectos de apilamiento en sus hexágonos estratificados. Esto hace que los cristales de hielo muestren simetría trigonométrica o cúbica según la temperatura. Los cristales trigonométricos o cúbicos se forman en la atmósfera superior, donde se produce el superenfriamiento. [12] [13]

Cristales cuadrados

El agua puede atravesar láminas laminadas de óxido de grafeno , a diferencia de moléculas más pequeñas como el helio . Cuando se comprime entre dos capas de grafeno , el agua forma cristales de hielo cuadrados a temperatura ambiente. Los investigadores creen que la alta presión y la fuerza de van der Waals , una fuerza de atracción presente entre todas las moléculas, impulsan la formación. El material es una nueva fase cristalina del hielo. [3] [14]

Fenómenos meteorológicos

Un halo creado por la luz que se refleja en los cristales de hielo de las nubes cirros. Este halo específico se llama halo de 46° .

Los cristales de hielo crean fenómenos ópticos como polvo de diamante y halos en el cielo debido a la luz que se refleja en los cristales en un proceso llamado dispersión . [1] [2] [15]

Las nubes cirros y la niebla helada están formadas por cristales de hielo. [1] [16] Las nubes cirros suelen ser la señal de un frente cálido que se aproxima , donde el aire cálido y húmedo se eleva y se congela formando cristales de hielo. [17] [18] Los cristales de hielo que se frotan entre sí también producen relámpagos . [19] [20] Los cristales normalmente caen horizontalmente, [21] pero los campos eléctricos pueden hacer que se agrupen y caigan en otras direcciones. [22] [23]

Detección

Cristales de hielo dendríticos fotografiados con un microscopio electrónico de barrido . Los colores son generados por computadora .

La industria aeroespacial está trabajando para diseñar un radar que pueda detectar entornos de cristales de hielo para discernir condiciones de vuelo peligrosas. Los cristales de hielo pueden derretirse cuando tocan la superficie de una aeronave caliente y volver a congelarse debido a las condiciones ambientales. La acumulación de hielo alrededor del motor daña la aeronave. [24] [25] La previsión meteorológica utiliza radares meteorológicos de reflectividad diferencial para identificar tipos de precipitación comparando las longitudes horizontales y verticales de una gota. [26] Los cristales de hielo son más grandes en la dirección horizontal [15] y, por lo tanto, son detectables.

Véase también

Referencias

  1. ^ abcdef "cristal de hielo". Glosario de meteorología . Sociedad Meteorológica Estadounidense . Consultado el 29 de marzo de 2023 .
  2. ^ abc "Halos de cristales de hielo". www.its.caltech.edu . Consultado el 30 de marzo de 2023 .
  3. ^ ab Puiu, Tibi (27 de marzo de 2015). "A temperatura ambiente, al intercalar agua entre grafeno se forman cristales de hielo cuadrados". ZME Science . Consultado el 30 de marzo de 2023 .
  4. ^ Visconti, Guido (2001). Fundamentos de física y química de la atmósfera. Berlín: Springer. ISBN 3-540-67420-9.OCLC 46320998  .
  5. ^ "Sublimación y deposición - Educación energética". energyeducation.ca . Consultado el 10 de abril de 2023 .
  6. ^ Utah, Universidad de. "Hemos estado pensando equivocadamente en cómo se forma el hielo en los cirros". phys.org . Consultado el 30 de marzo de 2023 .
  7. ^ "Cómo se forman los cristales de hielo en las nubes". Revista Wiley Analytical Science . Consultado el 29 de marzo de 2023 .
  8. ^ UCL (9 de diciembre de 2016). «Entender cómo se forman los cristales de hielo en las nubes». UCL News . Consultado el 10 de abril de 2023 .
  9. ^ "Tasas de crecimiento y hábitos de los cristales de hielo entre −20° y −70°C - Búsqueda en Google". www.google.com . Consultado el 10 de marzo de 2024 .
  10. ^ "¿Cómo se forman los copos de nieve? Conozca la ciencia detrás de la nieve". www.noaa.gov . 19 de diciembre de 2016 . Consultado el 30 de marzo de 2023 .
  11. ^ "Nubes superfrías". earthobservatory.nasa.gov . 2014-12-20 . Consultado el 2023-04-10 .
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  17. ^ "Nubes cirrus | Centro de Educación Científica". scied.ucar.edu . Consultado el 30 de marzo de 2023 .
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  20. ^ Canadá, Medio Ambiente y Cambio Climático (15 de abril de 2011). "Cómo funcionan los rayos". www.canada.ca . Consultado el 30 de marzo de 2023 .
  21. ^ Stillwell, Robert A.; Neely, Ryan R.; Thayer, Jeffrey P.; Walden, Von P.; Shupe, Matthew D.; Miller, Nathaniel B. (27 de noviembre de 2019). "Influencia radiativa de cristales de hielo orientados horizontalmente sobre la cumbre, Groenlandia". Revista de investigación geofísica: Atmósferas . 124 (22): 12141–12156. Código Bibliográfico :2019JGRD..12412141S. doi : 10.1029/2018JD028963 . ISSN  2169-897X. S2CID  210640681.
  22. ^ Libbrecht, Kenneth G. "Crecimiento de cristales de nieve eléctricos". www.its.caltech.edu . Consultado el 30 de marzo de 2023 .
  23. ^ Latham, J.; Saunders, CPR (1964). "Agregación de cristales de hielo en campos eléctricos intensos". Nature . 204 (4965): 1293–1294. Código Bibliográfico :1964Natur.204.1293L. doi :10.1038/2041293a0. ISSN  1476-4687. S2CID  8747928.
  24. ^ Heidman, Kelly (11 de agosto de 2015). "Estudios de una campaña de vuelo para la detección de cristales de hielo mediante radar". NASA . Consultado el 30 de marzo de 2023 .
  25. ^ Lukas, Jan; Badin, Pavel (10 de junio de 2019). "Detección de cristales de hielo a gran altitud con radar meteorológico de banda X para aeronaves". SAE International Journal of Advances and Current Practices in Mobility . 2 (1): 256–264. doi :10.4271/2019-01-2026. ISSN  2641-9637. S2CID  182542723.
  26. ^ Departamento de Comercio de EE. UU., NOAA. "Dual-Pol Products". www.weather.gov . Consultado el 30 de marzo de 2023 .
  • SnowCrystals.com!, en Caltech
  • Glosario de la Sociedad Meteorológica Estadounidense
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