Δέκα παγωμένες αλήθειες

Ολοι έχουμε δει εικόνες από τους παγετώνες της Αρκτικής και της Ανταρκτικής, ή από τις παγωμένες κορυφές των Αλπεων ή των Ιμαλαΐων, και ακόμη και αν δεν έχουμε βρεθεί ποτέ σε αυτά τα σημεία του πλανήτη, μπορούμε να φανταστούμε τις ακραίες συνθήκες που επικρατούν. Στις παγωμένες εκτάσεις βασιλεύει το κρύο και πιθανότατα η σιωπή (εκτός από τον ήχο των ανέμων) και αυτή η έλλειψη ή η σπανιότητα των μορφών ζωής δίνει την εντύπωση μιας στατικότητας για την οποία είμαστε σχεδόν βέβαιοι.

Σε ό,τι αφορά τον πάγο όμως, τίποτε δεν είναι όπως φαίνεται: μακράν του να είναι ένα σταθερό υλικό, κάτι σαν πέτρα, ο πάγος μοιάζει με χημικό εργαστήριο όπου διαφορετικές αντιδράσεις συμβαίνουν σε διαφορετικά σημεία του (επιφανειακά ή ενδότερα στρώματα) και όπου η θερμοκρασία, αλλά και οι περιβαλλοντικοί ρυπαντές, καθορίζουν την ταυτότητα και τις ιδιαιτερότητές του. Και επειδή οι παγωμένες εκτάσεις αποτελούν κρίκους στον αέναο κύκλο του νερού, οι ιδιαιτερότητες του πάγου έχουν επιδράσεις στο κλίμα, στη γεωλογία και στην ίδια τη ζωή. Παρά την αδιαμφισβήτητη σπουδαιότητα των παγωμένων μαζών νερού στη διαμόρφωση των συνθηκών της ζωής μας όμως, οι ερευνητές αγνοούν πολλά και βασικά σημεία της χημείας και της φυσικής του πάγου. Και με τη σειρά της, αυτή η άγνοια τους εμποδίζει να προβούν σε ακριβείς προβλέψεις σχετικά με μια σειρά θεμάτων, από τις συνέπειες της απορρόφησης των χημικών ρυπαντών σε σύννεφα πάγου ως τη δυνατότητα των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στο χιόνι να παραγάγουν όζον ή να απελευθερώσουν επιβλαβείς οργανικές ενώσεις σε ποτάμια και ωκεανούς.

Τα δέκα βασικά ερωτήματα που πρέπει να απαντηθούν σχετικά με τη μοριακή συμπεριφορά του παγωμένου νερού τόσο πάνω στη Γη όσο και στο Διάστημα συνόψισε για την επιστημονική επιθεώρηση Nature ο Thorsten Bartels-Rausch, ερευνητής του Ινστιτούτου Paul Scherrer στην Ελβετία. Σας τα μεταφέρουμε.

1. Πώς δημιουργείται ο πάγος;

Ο πάγος θεωρείται η στερεά κατάσταση του νερού και απαντάται στη Γη με πολλές μορφές: από τις χιονονιφάδες και το χαλάζι μέχρι τον παγετό και τα παγόβουνα. Υπό κανονικές συνθήκες πίεσης, μπορεί κανείς να πάρει πάγο αν ψύξει το νερό σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν. Ομως, υπάρχουν πολλές άγνωστες λεπτομέρειες ακόμα σχετικά με το πώς και πότε παγώνει το νερό· παρά το γεγονός ότι πρόκειται για γνώση απολύτως απαραίτητη για την κατανόηση του κύκλου του νερού, αλλά και για την επίδρασή του στη διαμόρφωση του κλίματος στη Γη. Παραδείγματος χάριν, δεν είμαστε σε θέση να προβλέψουμε πότε και πού θα δημιουργηθούν σύννεφα πάγου στην ατμόσφαιρα, ενώ περιοχές της που θεωρούμε ότι θα έπρεπε να είναι παγωμένες, παραμένουν στην υγρή κατάσταση. Επίσης, αγνοούμε αν οι σταγόνες του νερού παγώνουν από την επιφάνεια προς το κέντρο ή αν δημιουργείται ένας κρύσταλλος πάγου από το κέντρο και μεγαλώνει προς το εξωτερικό. Τέλος, ενώ γνωρίζουμε ότι ο πάγος σχηματίζεται εύκολα πάνω σε στερεές επιφάνειες, δεν γνωρίζουμε γιατί συμβαίνει αυτό. Η μοριακή βάση της αλληλεπίδρασης του νερού με αυτές τις επιφάνειες θα πρέπει να μελετηθεί.

2. Πώς μεταβάλλεται η δομή του πάγου;

Οι κρύσταλλοι πάγου δημιουργούνται από μόρια νερού τα οποία συγκρατούνται σε κανονικούς τετραεδρικούς σχηματισμούς με δεσμούς υδρογόνου. Πολλές «παγωμένες» κρυσταλλικές δομές είναι γνωστές με χαρακτηριστικό παράδειγμα την εξαγωνική των χιονονιφάδων. Σε μεταβαλλόμενες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης τα μόρια νερού προσαρμόζουν τους σχηματισμούς τους για εξοικονόμηση ενέργειας, πράγμα που παράγει διαφορετικές φάσεις του πάγου.

Αυτές οι μεταβάσεις σε διαφορετική φάση είναι καλά μελετημένες σε μακροσκοπικό επίπεδο. Χρειαζόμαστε όμως να αναπαραγάγουμε τις μοριακές διαδικασίες αυτών των μεταβάσεων σε προσομοιώσεις ηλεκτρονικών υπολογιστών ή με τη βοήθεια υπολογισμών κβαντικής χημείας σε όλο το εύρος θερμοκρασιών και πιέσεων. Με τέτοιου είδους βελτιωμένα μοντέλα θα μπορούσαμε να διερευνήσουμε ερωτήματα όπως παραδείγματος χάριν την επίδραση των σωματιδίων σκόνης στον πάγο.

3. Πώς συμπεριφέρονται διαφορετικές δομές πάγου;

Εκτός από κανονικούς κρυστάλλους, ο πάγος υφίσταται και σε άμορφες δομές (μοριακές δομές οι οποίες έχουν μακρά διάρκεια ζωής αλλά δεν βρίσκονται στο ελάχιστο της ενέργειας). Αυτή η ποικιλομορφία δομών διευρύνει τις πιθανότητες σχετικά με την ταχύτητα σχηματισμού του πάγου, τη χημική δραστικότητα των σύννεφων πάγου, του τρόπου με τον οποίο σωματίδια ρυπαντών συλλαμβάνονται σε κομήτες και τις μηχανικές δυνάμεις των παγωμένων σωμάτων στο Διάστημα. Παρά τη σπουδαιότητά τους, γνωρίζουμε πολύ λίγα για το πώς διαμορφώνονται αυτές οι δομές, για το αν αναμειγνύονται με τον κανονικό κρυσταλλικό πάγο και για το πού σχηματίζονται. Η μελέτη αυτών των πάγων είναι δύσκολη στη φύση, αλλά στο εργαστήριο είναι πιθανόν να βοηθηθούμε από την ανάλυση με τη βοήθεια ακτίνων Χ και μελέτες σκέδασης νετρονίων.

4. Ποια είναι η δομή της επιφάνειας του πάγου;

Η μοριακή τάξη διαταράσσεται στις επιφάνειες των κρυστάλλων και ο πάγος δεν αποτελεί εξαίρεση. Οι δεσμοί υδρογόνου που εκτίθενται στον αέρα μπορούν επίσης να σχηματιστούν με μόρια όπως αυτά της μεθανόλης, ακετόνης, νιτρικού και υδροχλωρικού οξέος. Αποτέλεσμα των παραπάνω διεργασιών είναι η ύπαρξη ακανόνιστων και δύσκολο να περιγραφούν μορίων νερού, ιδιαίτερα όταν ο πάγος βρίσκεται κοντά στο σημείο τήξης του και η διαταραχή εξαπλώνεται σε μεγαλύτερο βάθος μέσα στον κρύσταλλο. Υπάρχουν πολλά πράγματα που δεν ξέρουμε γι’ αυτό το στρώμα του πάγου, όπως η ακριβής μοριακή δομή του και πώς αυτή μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία, αλλά και οι δυνατότητές της να φιλοξενεί ρυπαντές.

5. Πού εντοπίζονται οι ρυπαντές μέσα στον πάγο;

Στην απώτερη ατμόσφαιρα και στο Διάστημα το παγωμένο νερό είναι συχνά αναμεμειγμένο με μονοξείδιο ή διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, θειικό ή νιτρικό οξύ. Ο πάγος στην επιφάνεια της Γης περιέχει χημικά προερχόμενα από διαφορετικές πηγές, όπως το θαλασσινό αλάτι, η σκόνη και τα καυσαέρια. Διάφοροι ρυπαντές έχουν εντοπιστεί σε κομήτες που λιώνουν καθώς πλησιάζουν τον Ηλιο, πράγμα που σημαίνει ότι είχαν εγκλωβιστεί σε αυτούς σε κάποιο σημείο της διαδρομής. Δεν γνωρίζουμε όμως πώς αυτοί οι ρυπαντές αναμειγνύονται με τον πάγο ή αν διαφορετικού τύπου πάγοι (όπως το μαλακό χιόνι ή τα συμπαγή παγόβουνα) συγκρατούν τους ρυπαντές με τον ίδιο τρόπο.

Στο εργαστήριο έχουν εντοπιστεί ορισμένες κρυσταλλικές δομές οι οποίες συνδέονται με τους ρυπαντές. Παραδείγματος χάριν, το νιτρικό οξύ δημιουργεί στερεές ενώσεις με το παγωμένο νερό και οι ενώσεις αυτές ευθύνονται για τη μείωση του στρώματος του όζοντος στη στρατόσφαιρα. Είναι ζωτικής σημασίας να εντοπίσουμε τη φάση, τη θέση και το χημικό περιβάλλον των ρυπαντών των πάγων τόσο στο Διάστημα όσο και στα σύννεφα και στην επιφάνεια της Γης.

6. Πώς προχωρούν οι χημικές αντιδράσεις στον πάγο;

Στον Νότιο Πόλο, οι αντιδράσεις νιτρωδών οξέων τα οποία απελευθερώνονται από τους πάγους παράγουν αρκετό όζον ώστε να αυξηθεί τοπικά η συγκέντρωσή του σε επίπεδα που παρατηρούνται σε βιομηχανοποιημένες περιοχές. Στην Αρκτική, ιόντα υδραργύρου εναποτίθενται από την ατμόσφαιρα στο στρώμα του πάγου και μεταβάλλονται χημικά προτού απελευθερωθούν και πάλι στον αέρα. Στο Διάστημα, μόρια όπως υδρογόνο, νερό, μεθανόλη, οξείδια του άνθρακα, αμμωνία και αμινοξέα δημιουργούνται στην επιφάνεια μικρών παγωμένων σωματιδίων. Δεδομένου ότι η χημική αντιδραστικότητα μιας παγωμένης επιφάνειας είναι διαφορετική από αυτή που συμβαίνει σε «μικροτσέπες» συμπαγούς πάγου, θα πρέπει να εντοπίσουμε τη σειρά των χημικών αντιδράσεων που επικρατούν σε κάθε περίπτωση, καθώς και το είδος των ρυπαντών που εμπλέκονται σε αυτές.

7. Υπάρχουν υγρές τσέπες στον πάγο;

Είναι εύκολο να αντιληφθούμε ότι η παρουσία υγρού μεταβάλλει τις ιδιότητες του πάγου, όπως παραδείγματος χάριν το σημείο τήξης, και αυτό μπορούμε να το δούμε σε εργαστηριακές συνθήκες. Ωστόσο, δεν γνωρίζουμε αν υπάρχουν μικροσκοπικές τσέπες υγρού στους πάγους στη φύση, ούτε κι αν αυτές συγκρατούν ρυπαντές που θα μπορούσαν να συμπεριφέρονται διαφορετικά κάτω από διαφορετικές συνθήκες.

8. Πώς φυσιολογικές διεργασίες επιδρούν στους ρυπαντές που περιέχονται στον πάγο;

Χημικά από την ατμόσφαιρα απορροφώνται ταχύτατα από το χιόνι και βαθμηδόν, σε διάρκεια αιώνων, περνούν στους παγετώνες επιδρώντας στη χημεία του αέρα, του χιονιού και του πάγου. Οι αυξομειώσεις των επιπέδων των ρυπαντών που διαχέονται με αργό ρυθμό καθιστούν δύσκολη τη χρονολόγηση των παγετώνων. Οι διαδικασίες οι οποίες ρυθμίζουν τη διάχυση των ρυπαντών στον πάγο και στο χιόνι και τις ανταλλαγές τους με την ατμόσφαιρα στα σύννεφα και στο έδαφος πρέπει να περιγραφούν και να καθοριστούν: η επιφανειακή απορρόφηση, η διάχυση μέσα στους κρυστάλλους πάγου, καθώς και η παγίδευσή τους μέσα σε υγρό, επιδρούν καθοριστικά στη μετακίνηση και στην τελική τύχη των ρυπαντών στον πάγο.

9. Πώς επιδρά η αύξηση του πάγου στους ρυπαντές;

Τα μόρια του νερού που βρίσκονται στις επιφανειακές στιβάδες του πάγου και του χιονιού εξατμίζονται και παγώνουν ξανά συνεχώς. Κατά τη διάρκεια μίας ημέρας, καθώς οι θερμοκρασίες μεταβάλλονται, ως και το 60% των επιφανειακών μορίων του νερού μπορούν να αναδιαταχθούν. Πώς ανταποκρίνονται οι ρυπαντές όταν το σχήμα ή η επιφάνεια και ο όγκος του πάγου μεταβάλλονται τόσο δραστικά; Παρατηρήσεις στο πεδίο και στο εργαστήριο έχουν δείξει ότι μόρια υδραργύρου ή υδροχλωρικού οξέος απορροφώνται γρηγορότερα από αυξανόμενο παρά από σταθερό πάγο. Απαιτείται όμως περισσότερος πειραματισμός προκειμένου να μετρηθεί αυτή η απορρόφηση επακριβώς και σε ένα μεγάλο εύρος ρυθμών αύξησης του πάγου.

10. Πόσο θα διαρκέσουν οι παγετώνες;

Δορυφορικά δεδομένα καταδεικνύουν ότι το μόνιμο στρώμα πάγου στον Αρκτικό Ωκεανό μειώνεται κατά 10% ανά δεκαετία. Ομοίως, η συρρίκνωση των παγετώνων στη Γροιλανδία και στην Ανταρκτική συμβαίνει με ολοένα αυξανόμενους ρυθμούς. Η ελλιπής κατανόηση των φαινομένων αυτών δεν μας επιτρέπει να προβούμε σε βάσιμες υποθέσεις σχετικά με την εξαφάνιση των παγετώνων από τον πλανήτη μας (πιθανότατα στον αιώνα που διανύουμε).

Πάγος παντού!

ΣΤΟ ΣΠΙΤΙ

Τα παγάκια που φτιάχνουμε στο ψυγείο μας δεν είναι διάφανα επειδή έχουν εγκλωβισμένες φυσαλίδες αέρα.

Το νερό της βρύσης εμπλουτίζεται με αέρα καθώς τρέχει. Καθώς αρχίζει η ψύξη, η οποία γίνεται από την επιφάνεια προς το κέντρο, το νερό διογκώνεται και σπρώχνει τις φυσαλίδες στα ενδότερα. Ετσι, τα παγάκια μας έχουν συνήθως πολύ θαμπό κέντρο.

Μπορεί κάποιος να δημιουργήσει διάφανα παγάκια αν χρησιμοποιήσει εμφιαλωμένο νερό το οποίο έχει βράσει για να απομακρύνει τον αέρα και είναι πολύ προσεκτικός όταν το τοποθετεί στις παγοκυψέλες (η μεγάλη ανάδευση εισάγει αέρα).

ΣΤΟ ΧΙΟΝΙ

Οι χιονονιφάδες είναι πάντοτε εξαγωνικές, αλλά στην πλειονότητά τους δεν είναι απολύτως συμμετρικές, καθώς μικρές θερμοκρασιακές μεταβολές και σωματίδια σκόνης προκαλούν παραμορφώσεις.

Η μεγαλύτερη χιονονιφάδα που έχει καταγραφεί είχε διάμετρο 38 εκατοστών και πάχος 20 εκατοστών. Παρατηρήθηκε στην Μοντάνα των ΗΠΑ το 1887.

Η μεγαλύτερη ταχύτητα πτώσης χιονονιφάδας έχει υπολογιστεί στα 1,7 μέτρα ανά δευτερόλεπτο.

ΣΤΗ ΘΑΛΑΣΣΑ

Καθώς το νερό των ωκεανών αρχίζει να ψύχεται, κάνουν την εμφάνισή τους μικροί κρύσταλλοι πάγου με σχήμα βελόνας.

Η διάμετρος των κρυστάλλων αυτών δεν ξεπερνά τα τέσσερα χιλιοστά.

Επειδή το αλάτι δεν παγώνει, αυτό εξαιρείται από τη διαδικασία δημιουργίας των κρυστάλλων. Τελικά, οι παραγόμενοι κρύσταλλοι αποτελούνται από καθαρό νερό και δεν είναι αλμυροί.

Τα παγόβουνα δημιουργούνται όταν οι κρύσταλλοι ανεβαίνουν στην επιφάνεια, συναθροίζονται και συνδέονται μεταξύ τους.

Οι κλιματολογικές συνθήκες καθορίζουν το σχήμα και τη μορφή που θα έχουν τα ωκεάνια παγόβουνα (κυκλικό ή μη σχήμα, λεία ή αδρή κάτω επιφάνεια).

ΣΤΟΥΣ ΠΟΛΟΥΣ

Ο πάγος των πόλων έχει σχηματιστεί σε διάρκεια αιώνων. Είναι το αθροιστικό αποτέλεσμα του χιονιού που πέφτει και δεν λιώνει ως τον επόμενο χειμώνα που χιονίζει ξανά.