云比你想象的要凉爽得多。事实上，科学家可能会说它们非常酷，因为它们是由数百万个过冷水滴组成的，这些水滴已经冷却到冰点以下但尚未变成冰。当这些水滴冻结时，它们可以通过称为二次制冰的过程加速整个云的冻结。这是一个快速、复杂的过程，发生在不同的时间和长度尺度上。

罗格斯大学科学家克劳迪乌·斯坦说：“大气科学界的研究人员正在试图了解云中如何如此有效地产生冰，以及冰的类型。”“当冰在过冷水中形成时，水结冰的速度比在冰箱中等待冰形成的速度快得多。人们以前看到的是，你得到的冰与你从冰箱中得到的冰不同。“但直到现在，还很难看出冷冻开始时发生了什么。”

一组研究人员一直在使用位于能源部SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源(LCLS)X射线激光器来更仔细地探索这一复杂的过程。

研究人员开发了一个包括七个不同阶段的冷冻过程模型，并在此过程中发现了意想不到的结构。他们的研究结果今天发表在《自然》杂志上，可以增进我们对云行为及其对气候影响的理解。

“这些微小水滴的冻结是一种尚未完全理解的现象，它可能包含可以帮助我们更好地了解气候变化的线索，”领导这项研究的斯坦说。“我们发现这个过程实际上比人们想象的要复杂。”

意想不到的结构

在LCLS，该团队使用两种技术来研究数以万计的水微滴：光学显微镜(通过一系列透镜弯曲光线来放大小物体)和X射线衍射(科学家用X射线照射样品的技术)观察它们反弹时形成的图案，以了解其原子或分子的排列方式。

他们意识到最早的冷冻步骤几乎与环境因素无关，因此他们在真空中快速冷却液滴以帮助捕获这些步骤。形成的冰晶的衍射表明，在冷冻过程开始后不久就形成了晶体排列。

冰晶之间剩余液体的衍射显示出与人们在冰表面看到的类似的图案，冰表面有一层超薄的层，既不是液体也不是固体。研究人员还发现，冰在冻结后立即形成紧张的六角形晶体排列。这种意想不到的结构以前从未被观察到，是一种暂时的不稳定状态，很可能在冰形成之前以及晶体结构中的其他异常情况发生。

SLAC科学家塞巴斯蒂安·布泰(SebastienBoutet)表示：“这种冻结发生得非常快，而且发生在一个非常小的区域。”“这就是X射线激光发挥作用的地方。它使我们能够跟踪这些超小、超快的变化，拍摄晶体中分子的快照，以了解它们在整个过程中的行为。”

变成冰

过冷液滴的冻结经历不同的阶段。研究人员在他们的系统中确定了其中七个阶段，并将它们排列成一个预测模型。首先，一小块冰在超冷的水中成核。然后冰开始以树状图案生长，使水滴形状发生一些变化，并冻结内部一半的水。

接下来，在中间部分周围形成光滑的外冰层，其中既有树状冰图案，也有一些液体。由于水在变成冰时会膨胀，当内部液体通过外部冰层的裂缝被推出时，小而尖的冰结构开始出现在水滴表面。

很快，水滴形成了更多更大的尖冰结构。膨胀的冰会导致一些水滴破裂，但不会破裂。其他一些水滴由于膨胀的冰的压力而完全破碎。

“这是一个相当复杂的过程，因为其中一些阶段在不同的时间和地点开始，所以每一滴冻结的方式都略有不同，”斯坦说。“起初，我们不确定是否可以用我们拥有的数据对其进行建模，但我们能够制作一个具有七个冻结阶段的模型，并且还预测每个液滴的冻结略有不同。由于我们的成功，我们认为这种冻结模型也可以用于云中的水滴。”

完成图片

现在，他们对冷冻过程开始时发生的情况有了更好的了解，研究人员计划在不同的时间点进行后续实验，以获得更完整的了解。

这项研究提供了对过冷水滴如何冻结的详细了解，这可能会给大气过程和更广泛的气候系统带来新的见解。除此之外，所使用的技术可以帮助研究人员更好地了解其他材料或气象条件下的冷冻或凝固过程。

斯坦说：“当我们开始这项实验时，我们认为我们将证实以前在较长时间延迟时看到的冰晶的亚稳态结构，但我们最终观察到了一些非常出乎意料的东西。”“现在我们对冻结开始时发生的情况有了更好的了解，我觉得这非常令人兴奋。”

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