.png)
.png)
.png)
Email this article 
Nucleation and growth of ice crystals in the atmosphere
https://doi.org/10.15356/2076-6734-2013-1-53-60
Abstract
Nucleation of ice crystals in atmosphere is a result of condensation of water vapor on aerosol particle surface and heterogenic crystallization of the overcooled water micro-aggregations on surface irregularities. Crystal habit of ice nucleus and very small crystals (102 nm) corresponds to Gibbs–Wolf theorem and Thomson-Gibbs equation. Consequent growth of nucleated crystal is possible under condition of exceeding of water vapor concentration in atmosphere over the equilibrium vapor concentration over ice crystal. This equilibrium concentration for each crystal facet can be characterized by Clausius–Clapeyron relation with regard to its surface energy. The diagram of atmospheric ice crystals morphology in dependence from absolute and relative vapor supersaturation of atmosphere is developed. It is determined that the relation of height H and diameter D of atmospheric crystals increases at a growth of relative supersaturation, Δci/ci, but increases at a growth of absolute supersaturation, Δci = ci – ca. The alteration of H/D occurs gradually, which explains conditional character of delimitation on types on the base of this index. The field of absolute and relative supersaturation it is possible to subdivide relatively index H/D value in two parts: columnar forms area, where index H/D > 0.89 and lamellar forms area, where H/D < 0.89. Columnar and needle forms it is possible to characterize as low temperature forms, but lamellar, short-columnar and irregular forms – as high temperature forms. The variety of atmospheric crystal forms is subdivided on four basic groups: solid lamellar, solid columnar, dendrite lamellar and hollow columnar.
References
1. Артемьев А.Н. Взаимодействие атмосферы и подстилающей поверхности на Антарктическом плато. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, 107 с.
2. Астапенко П.Д. Атмосферные процессы в высоких широтах Южного полушария. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 282 с.
3. Вульф Ю.В. Избранные работы по кристаллофизике и кристаллографии. М.-Л.:, Гостехиздат, 1952. 430 с.
4. Гиббс Д.В. Термодинамические работы. М.Л.: Гостехиздат, 1950. 492 с.
5. Голубев В.Н. Условия образования льда в природе и равновесная форма совершенных кристаллов льда // Вопросы криологии Земли. М.: Наука, 1976. С. 68–81.
6. Голубев В.Н. Закономерности формирования структуры ледяных образований на поверхности твердых тел // Гляциологич. исследования. 1981. No 26. С. 60–66.
7. Голубев В.Н. Кинетика и механизм гомогенной кристаллизации воды // Проблемы инженерной гляциологии. Новосибирск: Наука, 1986. С. 5–10.
8. Голубев В.Н. Структурное ледоведение: Теоретические основы конжеляционного льдообразования. М.: Изд-во МГУ, 1999. 104 с.; Структурное ледоведение: Строение конжеляционных льдов. М.: Изд-во МГУ, 2000, 88 с.
9. Довгалюк Ю.А., Першина Т.А. Атлас снежинок (снежных кристаллов). СПб.: Гидрометеоиздат, 2005. 130 с.
10. Заморский А.Д. Атмосферный лед. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 377 с.
11. Кеплер И. О шестиугольных снежинках. М.: Наука, 1983. 192 с.
12. Клинов Ф.Я. Вода в атмосфере при низких температурах. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 171 с.
13. Козлова О.Г. Рост и морфология кристаллов. М.: Изд-во МГУ, 1980. 368 с.
14. Лодиз З., Паркер Р. Рост монокристаллов. М.: Мир, 1974. 540 с.
15. Мазин И.П., Шметтер С.М. Облака, строение и физика образования. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 279 с.
16. Стрикленд-Констэбл Р. Кинетика и механизм кристаллизации. Л.: Недра, 1971. 310 с.
17. Стулов Н.Н. Кристаллы льда // Зап. Всес. минерал. общ-ва. 1949. Т. 78. No 3. С. 56–71.
18. Теоретические основы инженерной геологии: Физикохимические основы. М.: Недра, 1985. 288 с.
19. Хонигман Б. Рост и форма кристаллов. М.: Изд-во иностр. литературы, 1961. 224 с.
20. Шумский П.А. Основы структурного ледоведения. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 492 с.
21. Angell C.A. The properties of supercooled water // Journ. of Chemical Physics. 1971. V. 75. P. 3698–3705.
22. Bailey M., Hallett J. Growth rates and habits of ice crystals between −20 °C and −70 °C // Journ. of the Atmospheric Sciences. 2004. V. 61. Р. 514–544.
23. Bailey M., Hallett J. A comprehensive habit diagram for atmospheric ice crystals: confirmation from the laboratory, AIRS II, and other field studies // Journ. of the Atmospheric Sciences. 2009. V. 66. Р. 2888–2899.
24. Fletcher N.H. The Chemical Physics of Ice. Cambridge: Univ. Press, 1970. 271 p.
25. Golubev V.N. Ice Formation in Freezing Grounds. Ground Freezing 97, Frost Action in Soils / Еd. Sv. Knutsson, A.A. Balkema. Rotterdam, Brookfield, 1997. Р. 87–91.
26. Hobbs P.V. Ice Physics. Oxford: Clarendon Press, 1974. 836 p.
27. Kobayashi T. On the variation of ice crystal habit with temperature // The Physics of snow and ice / Ed. H. Oura. Sapporo, 1967. V. 1. P. 1. P. 95–104.
28. Levi L., Nasello O.B. A discussion of mechanisms proposed to explain habit changes of vapor-grown ice crystals // Atmospheric Research. 2003. No 66 (1–2). Р. 107–122.
29. Magono C., Lee C.W. Meteorological classification of natural snow crystals // Journ. of the Faculty of Science. Hokkaido University. 1966. Ser. 7 (Geophysics). No 2. Р. 321–335.
30. Nakaya U. Snow Crystals: Natural and Artificial. Cambridge: Harvard University Press, 1954. 510 р.
31. Reuck A.V. de. The surface free energy of ice // Nature. 1957. No 179 (4570). Р. 1119–1120.
32. Rowlinson J.S. The lattice energy of ice and second viral coefficient of water vapour // Trans. Farad. Soc. 1951. V. 47. P. 120–129.
33. Yosida Z. Surface Structure of Ice Crystal and Its Equilibrium Form, International // The Physics of snow and ice / Ed. H. Oura. Sapporo, 1967. V. 1. Pt. 1. P. 1–19.
Supplementary files
For citation: Golubev V.N. Nucleation and growth of ice crystals in the atmosphere. Ice and Snow. 2013;53(1):53-60. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2013-1-53-60
Refbacks
- There are currently no refbacks.
ISSN 2076-6734 (Print)
ISSN 2412-3765 (Online)